Entwurf und Implementierung von Szenarien. Simulation und Bewertung

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1 Konzeptpapier zur Diplomarbeit Entwurf und simulative Bewertung eines QoS-Managements zur Übertragung von gelayerten und skalierbaren VBR-Strömen über Diffserv mit dynamischer Anpassung an die Klasseneigenschaften auf Ende-zu-Ende-Basis Lutz Rothenbücher 12. Juli Einleitung Das CORAL-Projekt (COmmunication protocols for Realtime Access to digital Libraries, siehe auch [AKM+00]) ist ein System, bei dem ein Multimedia-Server (der Coral- Server) verschiedene multimediale Anwendungen mehreren Clients zur Verfügung stellt. Dabei werden die Echtzeit-Multimedia-Daten über RTP/UDP übertragen, wobei Reservierungen mittels DiffServ (vgl. RFC 2475) vorgenommen werden. Hierfür wird die verfügbare Bandbreite von einem Qualiy-of-Service-Manager (QoS-Manager) verwaltet, der diese dann auf die einzelnen Ströme, die gelayert und skalierbar sein können, verteilt. Dabei sollen die QoS-Anforderungen der Ströme und der User erfüllt werden. Um dies zu gewährleisten müssen die QoS-Eigenschaften der DiffServ-Klassen zum jeweiligen Client regelmäßig gemessen und bei der Verteilung berücksichtigt werden. Im Gegensatz zu der Klasse EF (vgl. RFC 2597), bei der die QoS-Eigenschaften relativ konstant bleiben, müssen bei den AF-Klassen (vgl. RFC 2598) Schwankungen, die sich durch wechselnde Delay- und Loss-Rate-Werte bemerkbar machen, mit einkalkuliert werden. Über die QoS-Eigenschaften, insbesondere die verfügbare Bandbreite, in Best Effort kann in der Regel keine Aussage gemacht werden, da diese ständigen Schwankungen unterliegen, so dass dynamisch darauf reagiert werden muss. Neben CBR-Strömen (Constant Bit Rate), mit konstantem Bandbreitenbedarf, können auch VBR-Ströme (Variable Bit Rate), die z.b. bei MPEG-Videos vorkommen, übertragen werden. Bei diesen schwankt die Datenrate, so dass, wenn man nicht die Peak-Rate des gesammten Stromes reservieren will, die Bandbreite je nach Pufferung regelmäßig neu reserviert werden muss. Hierfür gibt es zwei verschiedene Ansätze. Man kann den Bandbreitenbedarf einer Multimediadatei und die Einteilung in Reservierungsintervalle im Voraus, also oχine bzw. a priori, berechnen oder man versucht die Datenrate online 1

2 zu berechnen, was in der Regel ein Abschätzen des Bandbreitenbedarfs für das nächste Zeitintervall ist. Mit dem a priori Ansatz hat sich Thomas Dreibholz ([Dre01]) in seiner Diplomarbeit im Rahmen des Coral-Projektes beschäftigt. Für die Reservierung in einem Intervall verwendet er eine Approximation über die maximale Anzahl an Bytes (Empirical Envelope). Zusätzlich wird durch den Einsatz von Puffern die zu reservierende Bandbreite weiter reduziert. Zur Beurteilung der Qualität, die sich mit der Skalierung der Ströme ändert, werden Utility Functions aus Papers wie z.b. [LLR+99] verwendet. Um die optimalen Neureservierungsintervalle für die Bandbreite zu bestimmen, werden diese ebenfalls im Voraus für jede Datei berechnet. Diese dienen bei der tatsächlichen Bestimmung der Neureservierungspunkte, welche online geschieht, allerdings nur als Anhaltspunkte, wann die Bandbreite neu zu verteilen ist. Mit dem von Thomas Dreibholz entwickelten Methoden ist nun eine dynamische QoS-Beschreibung jedes Stromes möglich, bei der innerhalb gegebener Grenzen skaliert werden kann. Zusätzlich werden bei der Verteilung die Kosten für den Provider und der Nutzen für den Anwender optimiert. Da die a priori Berechnung von Multimediadateien sehr zeitaufwendig ist, müssen manche Ströme z.b. von aktuellen Nachrichten online berechnet werden. Hiermit hat sich Simon Vey ([Vey01]) beschäftigt. Bei diesem Verfahren muss der Bandbreitenbedarf der Ströme, der im Voraus nicht bekannt ist, dynamisch ermittelt werden. Außerdem unterliegen VBR-Ströme Schwankungen, die in erster Linie vom Inhalt des Videos (z.b. Szenenwechsel) abhängen und ohne Vorwissen nicht vorhersehbar sind. Bei dem Verfahren von S. Vey wird, ähnlich wie bei der a priori-berechnung, nur die erwartete Bandbreite für einen gewissen Zeitraum (meist einige Sekunden) reserviert. Durch den Einsatz von Puffern und Miteinbeziehung eines Toleranzbereichs bei der Reservierung werden Schwankungen dann kompensiert. Die Zeitpunkte für die Neureservierungen werden durch Ereignisse, wie Toleranzbereichsüber- und -unterschreitungen oder Zeitüberschreitungen ausgelöst. Neben EF- und den AF-Klassen kann vom Coral-Server auch die DS-Klasse Best Effort (BE) verwendet werden, bei welcher es keine zu reservierenden Kapazitäten gibt, da in dieser auch der restliche Internetverkehr übertragen wird. Die meisten anderen Ströme in Best Effort werden über das Transportprotokoll TCP übertragen, bei dem die Bandbreite dynamisch an freie oder fehlende Kapazitäten angepasst wird. Dieses Anpassen geschieht weitestgehenst über das Verfahren AIMD (Additive Increase Multiplicative Decrease), bei dem die Bandbreite langsam erhöht und relativ schnell bei Congestion erniedrigt wird. Um die Robustheit des Internets nicht zu gefährden, ist daher ein TCP-freundliches Verhalten der nicht-tcp-ströme anzustreben, bei dem diese ihre Bandbreite im gleichen Maße wie konkurrierende TCP-Ströme erhöhen bzw. erniedrigen. Diese Steuerung soll am Coral-Server ein so genanntes Endpoint-Congestion- Management-Modul (ECM-Modul) übernehmen, welches mit Hilfe von Messungen die TCP-freundliche Bandbreite zu jedem Client berechnet und an den QoS-Manager weitergibt. Thorsten Karl hat in seiner Diplomarbeit [Kar01] ein solches enworfen. Dieses ist ein modellbasiertes Verfahren (Equation-based Congestion Control), dass auf dem Server läuft, und auf Ideen aus anderen EBCC-Verfahren wie z.b. TFRC [FHP+00] 2

3 beruht. Ein weiteres auf einer TCP-Emulation basierendes ECM-Modul hat Markus Schröder in seiner Diplomarbeit [Sch01] entworfen. Dieses beruht auf dem TEAR- Verfahren [ROY00] und berechnet die Rate am Client, welcher diese an den Server übermittelt. Den beiden ECM-Modulen ist gemeinsam, dass sie für das ursprüngliche Coral- System [AKM+00] entworfen wurden und mit den oben vorgestellten neuen Konzepten der QoS-Manager für VBR-Ströme nicht harmonisieren. Bei ihrer Konzeptionierung wurde davon ausgegangen, dass der QoS-Manager die Ströme je nach freier Bandbreite hoch- oder runterskalieren kann. Die QoS-Manager der oberen Konzepte brauchen aber für die DS-Klassenzuteilung eine mehr oder weniger gesicherte Zusage über die freie Bandbreite im nächsten Zeitintervall. Die Ströme werden normalerweise nur bei diesen sog. Neuverteilungen skaliert und können innerhalb eines Intervalls höchsten herunterskaliert werden. Es kann daher sein, dass ein Strom nicht über Best Effort übertragen wird, weil bei der Verteilung der Bandbreite das ECM-Modul den aktuellen Wert der BE-Bandbreite liefert und nicht berücksichtigt wird, dass der benötigte Wert evtl. leicht während der Increase-Phase (siehe z.b. [Kar01]) erreicht werden kann. 2 Die Ziele der Diplomarbeit Im Rahmen der Diplomarbeit soll ein Konzept zur Übertragung von gelayerten und skalierbaren Multimedia-Strömen mit variabler Bitrate über DiffServ entwickelt werden, bei dem die Berechnung der Bandbreiten und der Neuverteilungsintervalle sowohl online als auch oχine geschehen kann. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt dabei in der dynamischen Berücksichtigung der DS-Klasseneigenschaften bei der Neuverteilung der Bandbreite. Bei EF muss auf eine strenge Bandbreitenbegrenzung geachtet werden und bei den AF-Klassen sollten Schwankungen aufgefangen und zusätzliche freie Bandbreite (Outbandtraffic) genutzt werden. In BE können keine Ressourcen reserviert werden und das ECM-Modul regelt über Bandbreitenanpassung die TCP-freundliche Übertragung. Daher muss für diese Klasse ein Algorithmuss entworfen werden, der entscheidet, ob die gewünschte Bandbreite unter den gegebenen QoS-Anforderungen erreicht werden kann oder nicht. Des Weiteren sollte der QoS-Manager bei der Neuverteilung mit vorberechnenten a priori-dateien und normalen Trace-Files umgehen können, bei denen die Bandbreite online zu berechnen ist. Neben den Verteilalgorithmus benötigt der QoS-Manager auch einen sog. Traffic-Manager, der die Ströme entspr. ihrer Reservierungen in den DiffServ-Klassen übertragen und dabei freie Bandbreite fair verteilen soll. Hierfür werden entsprechende Queuing- und Scheduling-Verfahren benötigt, die an die verschiedenen DS-Klassen angepasst werden müssen. Zur BE-Bandbreitenvorhersage könnten Methoden aus dem Increase-Verfahren von T. Karl [Kar01] aufgegriffen werden, um für ein Zeitintervall die verfügbare Bandbreite vorherzusagen. Die Arbeiten von T. Dreibholz [Dre01] und S. Vey [Vey01] können bei der Konzeptionierung des QoS-Managers inbesondere für die Neuverteilung und für den Traffic Manager als Grundlage dienen. Zumindest sollten die a prori-dateien von T. Dreibholz verwendet werden, um nicht zusätzlich auch noch einen Konzept zur Oχine-Berechnung von Ressource/Utilization-Listen entwerfen zu müssen. Zusätzlich 3

4 sollten auch neue Ideen aus anderen Papers (wie z.b. [LC00]) bei der Bandbreitenverteilung berücksichtigt werden. Die TCP-freundliche Übertragung wird im Coral-Projekt durch das ECM-Modul geregelt. Da solche Module, wie oben erwähnt schon existieren, muss geprüft werden, inwiefern die bestehenden Konzepte an die neuen Gegebenheiten anpassbar sind. Hierbei ist insbesondere zu beachten, dass das ECM-Modul von T. Karl[Kar01] im realen Coral-System implementiert wurde und das von M. Schröder [Sch01] in das System für den Simulator ns2 [ns2]. Die Implementierung des Konzepts soll ebenfalls in dem Simulator ns2 erfolgen, so dass sich das ECM-Modul von M. Schröder eher als Grundlage anbietet. Mit diesem Simulator können auch Messungen in größeren Szenarien durchgeführt werden, was bei den bestehenden Konzepten im realen Coral-System nicht möglichwar. Zur Beurteilung des Konzeptes soll geprüft werden, wie gut die dynamische Anpassung an die DiffServ- Klassen funktioniert. Insbesondere ist dabei die Vorhersage der Best Effort-Bandbreite von Interesse. Zusätzlich ist auch ein Kosten- und Qualitätsvergleich mit normalen Traces und a priori-dateien durchzuführen. 3 Zeitplan Konzept zum Algorithmus Implementierung in ns2 Entwurf und Implementierung von Szenarien Dokumentation und Ausarbeitung Simulation und Bewertung Juli August September Oktober November Dezember Januar Einleitungsvortrag Anmeldung Zwischenvortrag geplante Abgabe Abgabetermin Abschlussvortrag Literatur [AKM+00] M. Albrecht, M. Köster, P. Martini, M. Frank. End-to-end Qos Management for Delay-sensitive Scalable Multimedia Streams over Diffserv. 25th Annual IEEE Conference on Local Computer Networks (LCN), Tampa/U.S.A.,

5 [Dre01] [FHP+00] T. Dreibholz. Management of Layered Bitrate Multimedia Streams over Diffserv with Apriori Knowledge. Universität Bonn, Instintutfür Informatik IV, Bonn/Germany, Februar 2001 S. Floyd, M Handley, J. Padhye, J. Widmer, Equasion Based Congestion Control for Unicast Applications, ACM/SIGCOMM, 2000 [Kar01] T. Karl. Aggregierte Ende-zu-Ende Bandbreitenregelung zur TCPfreundlichen Übertragung von Echtzeitströmen in Best-Effort-Netzten. Universität Bonn, Instintutfür Informatik IV, Bonn/Germany, 2001 [LLR+99] [LC00] [ns2] [ROY00] [Sch01] [Vey01] C. Lee, J. Lehoczky, R. Rajkumar, D. Siewiorek. On Quality of Service Optimization with Discrete QoS Options. 5th Real-Time Technology Symposium (RATS). Vancouver, Canada, 1999 R. Liao, A. Campbell. Dynamic Edge Provisioning for IPNetworks. IEEE IWQoS 2000, Pittsburg/USA, Juni 2000 Network Simulator 2, I. Rhee, V. Ozdemir, Y. Yi. TEAR: TCP Emulation at Receivers - Flow Control for Multimedia Streaming. Technical Report, Dept. of Sci., NSCU, April 2000 M.Schröder. Entwurf und simulative Bewertung der aggregierten TCPfreundlichen Übertragung von Echtzeitströmen mittels TCP-Emulation und Equasion-based Congestion-Control. Universität Bonn, Instintut für Informatik IV, Bonn/Germany, April 2001 S. Vey. Entwurf eines QoS-Managements zur Übertragung gelayerter und skalierbarer Multimedia-Ströme mit variablerdatenrate über Diffserv. Universität Bonn, Instintutfür Informatik IV, Bonn/Germany, Mai