home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Handbook of Infosec Terms 2.0 / Handbook_of_Infosec_Terms_Version_2.0_ISSO.iso / text / rfcs / rfc1046.txt < prev    next >
Text File  |  1996-05-07  |  30KB  |  241 lines

  1.  
  2.  
  3.  
  4.  
  5.  
  6.  
  7. Network Working Group                                            W. Prue Request for Comments:  1046                                    J. Postel                                                                      ISI                                                            February 1988 
  8.  
  9.        A Queuing Algorithm to Provide Type-of-Service for IP Links 
  10.  
  11. Status of this Memo 
  12.  
  13.    This memo is intended to explore how Type-of-Service might be    implemented in the Internet.  The proposal describes a method of    queuing which can provide the different classes of service.  The    technique also prohibits one class of service from consuming    excessive resources or excluding other classes of service.  This is    an "idea paper" and discussion is strongly encouraged.  Distribution    of this memo is unlimited. 
  14.  
  15. Introduction 
  16.  
  17.    The Type-of-Service (TOS) field in IP headers allows one to chose    from none to all the following service types; low delay, high    throughput, and high reliability.  It also has a portion allowing a    priority selection from 0-7.  To date, there is nothing describing    what should be done with these parameters.  This discussion proposes    an approach to providing the different classes of service and    priorities requestable in the TOS field. 
  18.  
  19. Desired Attributes 
  20.  
  21.    We should first consider how we want these services to perform.  We    must first assume that there is a demand for service that exceeds    current capabilities.  If not, significant queues do not form and    queuing algorithms become superfluous. 
  22.  
  23.    The low delay class of service should have the ability to pass data    through the net faster than regular data.  If a request is for low    delay class of service only, not high throughput or high reliability,    the Internet should provide low delay for relatively less throughput,    with less than high reliability.  The requester is more concerned    with promptness of delivery than guaranteed delivery.  The Internet    should provide a Maximum Guaranteed Delay (MGD) per node, or better,    if the datagram successfully traverses the Internet.  In the worst    case, a datagram's arrival will be MGD times the number of nodes    traversed.  A node is any packet switching element, including IP    gateways and ARPANET IMP's.  The MGD bound will not be affected by    the amount of traffic in the net.  During non-busy hours, the delay    provided should be better than the guarantee.  If the delay a 
  24.  
  25.  
  26.  
  27. Prue & Postel                                                   [Page 1] 
  28.  RFC 1046                Type-of-Service Queuing            February 1988 
  29.  
  30.     satellite link introduces is less than the MGD, that link should be    considered in the route.  If however, the MGD is less than the    satellite link can provide, it should not be used.  For this    discussion it is assumed that delay for individual links are low    enough that a sending node can provide the MGD service. 
  31.  
  32.    Low delay class of service is not the same as low Round Trip Time    (RTT).  Class of service is unidirectional.  The datagrams responding    to low delay traffic (i.e., Acking the data) might be sent with a    high reliability class of service, but not low delay. 
  33.  
  34.    The performance of TCP might be significantly improved with an    accurate estimate of the round trip time and the retransmission    timeout.  The TCP retransmission timeout could be set to the maximum    delay for the current route (if the current route could be    determined).  The timeout value would have to be redetermined when    the number of hops in the route changes. 
  35.  
  36.    High throughput class of service should get a large volume of data    through the Internet.  Requesters of this class are less concerned    with the delay the datagrams have crossing the Internet and the    reliability of their delivery.  This type of traffic might be served    well by a satellite link, especially if the bandwidth is high.    Another attribute this class might have is consistent one way    traversal time for a given burst of datagrams.  This class of service    will have its traversal times affected by the amount of Internet    load.  As the Internet load goes up, the throughput for each source    will go down. 
  37.  
  38.    High reliability class of service should see most of its datagrams    delivered if the Internet is not too heavily loaded.  Source Quenches    (SQ) should not be sent only when datagrams are discarded.  SQs    should be sent well before the queues become full, to advise the    sender of the rate that can be currently supported. 
  39.  
  40.    Priority service should allow data that has a higher priority to be    queued ahead of other lower priority data.  It is important to limit    the amount of priority data.  The amount of preemption a lower    priority datagram suffers must also be limited. 
  41.  
  42.    It is assumed that a queuing algorithm provides these classes of    service.  For one facility to be used over another, that is, making    different routing decisions based upon the TOS, requires a more    sophisticated routing algorithm and larger routing database.  These    issues are not discussed in this document. 
  43.  
  44.  
  45.  
  46.  
  47.  
  48.  Prue & Postel                                                   [Page 2] 
  49.  RFC 1046                Type-of-Service Queuing            February 1988 
  50.  
  51.  Applications for Class of Service 
  52.  
  53.    The following are examples of how classes of service might be used.    They do not necessarily represent the best choices, but are presented    only to illustrate how the different classes of service might be used    to advantage. 
  54.  
  55.    Interactive timesharing access using a line-at-a-time or character-    at-a-time terminal (TTY) type of access is typically low volume    typing speed input with low or high volume output.  Some Internet    applications use echoplex or character by character echoing of user    input by the destination host.  PC devices also have local files that    may be uploaded to remote hosts in a streaming mode.  Supporting such    traffic can require several types of service.  User keyboard input    should be forwarded with low delay.  If echoplex is used, all user    characters sent and echoed should be low delay to minimize the    echoing delay.  The computer responses should be regular or high    throughput depending upon the volume of data sent and the speed of    the output device.  If the computer response is a single datagram of    data, the user should get low delay for the response, to minimize the    human/computer interaction time.  If however the output takes a while    to read and digest, low delay computer responses are a waste of    Internet resources.  When streaming input is being sent the data    should be sent requesting high throughput or regular class of    service. 
  56.  
  57.    The IBM 3270 class of terminals typically have traffic volumes    greater than TTY access.  Echoplex is not needed.  The output devices    usually handle higher speed output streams and most sites do not have    the ability to stream input.  Input is typically a screen at a time,    but some PC implementations of 3270 use a variation of the protocol    to effectively stream in volumes of data.  Low delay for low volume    input and output is appropriate.  High throughput is appropriate for    the higher volume traffic. 
  58.  
  59.    Applications that transfer high volumes of data are typically    streaming in one direction only, with acks for the data, on the    return path.  The data transfer should be high throughput and the    acks should probably be regular class of service.  Transfer    initiation and termination might be served best with low delay class    of service. 
  60.  
  61.    Requests to, and responses from a time service might use low delay    class of service effectively. 
  62.  
  63.    These suggestions for class of service usage implies that the    application sets the service based on the knowledge it has during the    session.  Thus, the application should have control of this setting 
  64.  
  65.  
  66.  
  67. Prue & Postel                                                   [Page 3] 
  68.  RFC 1046                Type-of-Service Queuing            February 1988 
  69.  
  70.     dynamically for each send data request, not just on a per    session/conversation/transaction basis.  It would be possible for the    transport level protocol to guess (i.e., TCP), but it would be sub-    optimal. 
  71.  
  72. Algorithm 
  73.  
  74.    When we provide class of service queuing, one class may be more    desirable than the others.  We must limit the amount of resources    each class consumes when there is contention, so the other classes    may also operate effectively.  To be fair, the algorithm provides the    requested service by reducing the other service attributes.  A    request for multiple classes of service is an OR type of request not    an AND request.  For example, one can not get low delay and high    throughput unless there is no contention for the available resources. 
  75.  
  76. Low Delay Queuing 
  77.  
  78.    To support low delay, use a limited queue so requests will not wait    longer than the MGD on the queue.  The low delay queue should be    serviced at a lower rate than other classes of service, so low delay    requests will not consume excessive resources.  If the number of low    delay datagrams exceeds the queue limit, discard the datagrams.  The    service rate should be low enough so that other data can still get    through. (See discussion of service rates below.)  Make the queue    limit small enough so that, if the datagram is queued, it will have a    guaranteed transit time (MGD).  It seems unlikely that Source Quench    flow control mechanisms will be an effective method of flow control    because of the small size of the queue.  It should not be done for    this class of service.  Instead, datagrams should just be discarded    as required.  If the bandwidth or percentage allocated to low delay    is such that a large queue is possible (see formula below), SQs    should be reconsidered. 
  79.  
  80.    The maximum delay a datagram with low delay class of service will    experience (MGD), can be determined with the following information: 
  81.  
  82.       N = Queue size for low delay queue       P = Percentage of link resources allocated to low delay       R = Link rate (in datagrams/sec.)                       N       Max Delay =   -----                     P * R 
  83.  
  84.    If Max Delay is held fixed, then as P and R go up, so does N.  It is    probable that low delay service datagrams will prove to be, on the    average, smaller than other traffic.  This means that the number of    datagrams that can be sent in the allocated bandwidth can be larger. 
  85.  
  86.  
  87.  
  88. Prue & Postel                                                   [Page 4] 
  89.  RFC 1046                Type-of-Service Queuing            February 1988 
  90.  
  91.  High Reliability Queuing 
  92.  
  93.    To support high reliability class of service, use a queue that is    longer than normal (longer queue means higher potential delay).  Send    SQ earlier (smaller percentage of max queue length) and don't discard    datagrams until the queue is full.  This queue should have a lower    service rate than high throughput class of service. 
  94.  
  95.    Users of this class of service should specify a Time-to-Live (TTL)    which is made appropriately longer so that it will survive longer    queueing times for this class of service. 
  96.  
  97.    This queuing procedure will only be effective for Internet    unreliability due to congestion.  Other Internet unreliability    problems such as high error rate links or reliability features such    as forward error correcting modems must be dealt with by more    sophisticated routing algorithms. 
  98.  
  99. High Throughput Queuing 
  100.  
  101.    To support high throughput class of service have a queue that is    treated like current IP queuing.  It should have the highest service    rate.  It will experience higher average through node delay than low    delay because of the larger queue size. 
  102.  
  103.    Another thing that might be done, is to keep datagrams of the same    burst together when possible.  This must be done in a way that will    not block other traffic.  The idea is to deliver all the data to the    other end in a contiguous burst.  This could be an advantage by    allowing piggybacking acks for the whole burst at one time.  This    makes some assumptions about the overlying protocol which may be    inappropriate. 
  104.  
  105. Regular Service Queuing 
  106.  
  107.    For datagrams which request none of the three classes of service,    queue the datagrams on the queue representing the least delay between    the two queues, the high throughput queue or the high reliability    queue.  If one queue becomes full, queue on the other.  If both    queues are full, follow the source quench procedure for regular class    of service (see RFC-1016), not the procedure for the queue the    datagram failed to attain. 
  108.  
  109.    In the discussion of service rates described below, it is proposed    that the high throughput queue get service three times for every two    times for the high reliability queue.  Therefore, the queue length of    the high reliability queue should be increased by 50% (in this    example) to compare the lengths of the two queues more accurately.  A 
  110.  
  111.  
  112.  
  113. Prue & Postel                                                   [Page 5] 
  114.  RFC 1046                Type-of-Service Queuing            February 1988 
  115.  
  116.     simplification to this method is to just queue new data on the queue    that is the shortest.  The slower service rate queue will quickly    exceed the size of the faster service rate queue and new data will go    on the proper queue.  This however, would lead to more packet    reordering than the first method. 
  117.  
  118.  Service Rates 
  119.  
  120.    In this discussion, a higher service rate means that a queue, when    non-empty, will consume a larger percentage of the available    bandwidth than a lower service rate queue.  It will not block a lower    service rate queue even if it is always full. 
  121.  
  122.    For example, the service pattern could be; send low delay 17% of the    time, high throughput 50% of the time, and high reliability 33% of    the time.  Throughput requires the most bandwidth and high    reliability requires medium bandwidth.  One could achieve this split    using a pattern of L, R,R, T,T,T, where low delay is "L", high    reliability is "R", and high throughput is "T'.  We want to keep the    high throughput datagrams together.  We therefore send all of the    high throughput data at one time, that is, not interspersed with the    other classes of service.  By keeping all of the high throughput data    together, we may help higher level protocols, such as TCP, as    described above.  This would still be done in a way to not exceed the    allowed service rate of the available bandwidth. 
  123.  
  124.    These service rates are suggestions.  Some simplifications can be    considered, such as having only two routing classes; low delay, and    other. 
  125.  
  126. Priority 
  127.  
  128.    There is the ability to select 8 levels of priority 0-7, in addition    to the class of service selected.  To provide this without blocking    the least priority requests, we must give preempted datagrams    frustration points every time a higher priority request cuts in line    in front of it.  Thus if a datagram with low priority waits, it will    always get through even when competing against the highest priority    requests.  This assumes the TTL (Time-to-Live) field does not expire. 
  129.  
  130.    When a datagram with priority arrives at a node, the node will queue    the datagram on the appropriate queue ahead of all datagrams with    lower priority.  Each datagram that was preempted gets its priority    raised (locally).  The priority data will not bump a lower priority    datagram off its queue, discarding the data.  If the queue is full,    the newest data (priority or not) will be discarded.  The priority    preemption will preempt only within the class of service queue to 
  131.  
  132.  
  133.  
  134. Prue & Postel                                                   [Page 6] 
  135.  RFC 1046                Type-of-Service Queuing            February 1988 
  136.  
  137.     which the priority data is targeted.  A request specifying regular    class of service, will contend on the queue where it is placed, high    throughput or high reliability. 
  138.  
  139.    An implementation strategy is to multiply the requested priority by 2    or 4, then store the value in a buffer overhead area.  Each time the    datagram is preempted, increment the value by one.  Looking at an    example, assume we use a multiplier of 2.  A priority 6 buffer will    have an initial local value of 12.  A new priority 7 datagram would    have a local value of 14.  If 2 priority 7 datagrams arrive,    preempting the priority 6 datagram, its local value is incremented to    14.  It can no longer be preempted.  After that, it has the same    local value as a priority 7 datagram and will no longer be preempted    within this node.  In our example, this means that a priority 0    datagram can be preempted by no more than 14 higher priority    datagrams.  The priority is raised only locally in the node.  The    datagram could again be preempted in the next node on the route. 
  140.  
  141.    Priority queuing changes the effects we were obtaining with the low    delay queuing described above.  Once a buffer was queued, the delay    that a datagram would see could be determined.  When we accepted low    delay data, we could guarantee a certain maximum delay.  With this    addition, if the datagram requesting low delay does not also request    high priority, the guaranteed delay can vary a lot more.  It could be    1 up to 28 times as much as without priority queuing. 
  142.  
  143. Discussion and Details 
  144.  
  145.    If a low delay queue is for a satellite link (or any high delay    link), the max queue size should be reduced by the number of    datagrams that can be forwarded from the queue during the one way    delay for the link.  That is, if the service rate for the low delay    queue is L datagrams per second, the delay added by the high delay    link is D seconds and M is the max delay per node allowed (MGD) in    seconds, then the maximum queue size should be: 
  146.  
  147.          Max Queue Size = L ( M - D),  M > D                         = 0         ,  M <= D 
  148.  
  149.    If the result is negative (M is less than the delay introduced by the    link), then the maximum queue size should be zero because the link    could never provide a delay less than the guaranteed M value.  If the    bandwidth is high (as in T1 links), the delay introduced by a    terrestrial link and the terminating equipment could be significant    and greater than the average service time for a single datagram on    the low delay queue.  If so, this formula should be used to reduce    the queue size as well.  Note that this is reducing the queue size    and is not the same as the allocated bandwidth.  Even though the 
  150.  
  151.  
  152.  
  153. Prue & Postel                                                   [Page 7] 
  154.  RFC 1046                Type-of-Service Queuing            February 1988 
  155.  
  156.     queue size is reduced, the chit scheme described below will give low    delay requesters a chance to use the allocated bandwidth. 
  157.  
  158.    If a datagram requests multiple classes of service, only one class    can be provided.  For example, when both low delay and high    reliability classes are requested, and if the low delay queue is    full, queue the data on the high reliability queue instead.  If we    are able to queue the data on the low delay queue, then the datagram    gets part of the high reliability service it also requested, because,    once data is queued, data will not be discarded.  However, the    datagram will be routed as a low delay request.  The same scheme is    used for any other combinations of service requested.  The order of    selection for classes of service when more than one is requested    would be low delay, high throughput, then high reliability.  If a    block of datagrams request multiple classes of service, it is quite    possible that datagram reordering will occur.  If one queue is full    causing the other queue to be used for some of the data, data will be    forwarded at different service rates.  Requesting multiple classes of    service gives the data a better chance of making it through the net    because they have multiple chances of getting on a service queue.    However, the datagrams pay the penalty of possible reordering and    more variability in the one way transmission times. 
  159.  
  160.    Besides total buffer consumption, individual class of service queue    sizes should be used to SQ those asking for service except as noted    above. 
  161.  
  162.    A request for regular class of service is handled by queuing to the    high reliability or high throughput queues evenly (proportional to    the service rates of queue).  The low delay queue should only receive    data with the low delay service type.  Its queue is too small to    accept other traffic. 
  163.  
  164.    Because of the small queue size for low delay suggested above, it is    difficult for low delay service requests to consume the bandwidth    allocated.  To do so, low delay users must keep the small queue    continuously non-empty.  This is hard to do with a small queue.    Traffic flow has been shown to be bursty in nature.  In order for the    low delay queue to be able to consume the allocated bandwidth, a    count of the various types being forwarded should be kept.  The    service rate should increase if the actual percentage falls too low    for the low delay queue.  The measure of service rates would have to    be smoothed over time. 
  165.  
  166.    While this does sound complicated, a reasonably efficient way can be    described.  Every Q seconds, where Q is less than or equal to the    MGD, each class gets N M P chits proportional to their allowed    percentage.  Send data for the low delay queue up to the number of 
  167.  
  168.  
  169.  
  170. Prue & Postel                                                   [Page 8] 
  171.  RFC 1046                Type-of-Service Queuing            February 1988 
  172.  
  173.     chits it receives decrementing the chits as datagrams are sent.  Next    send from the high reliability queue as many as it has chits for.    Finally, send from the high throughput queue.  At this point, each    queue gets N M P chits again.  If the low delay queue does not    consume all of its chits, when a low delay datagram arrives, before    chit replenishment, send from the low delay queue immediately.  This    provides some smoothing of the actual bandwidth made available for    low delay traffic.  If operational experience shows that low delay    requests are experiencing excessive congestion loss but still not    consuming the classes allocated bandwidth, adjustments should be    made.  The service rates should be made larger and the queue sizes    adjusted accordingly.  This is more important on lower speed links    where the above formula makes the queue small. 
  174.  
  175.    What we should see during the Q seconds is that low delay data will    be sent as soon as possible (as long as the volume is below the    allowed percentage).  Also, the tendency will be to send all the high    throughput datagrams contiguously.  This will give a more regular    measured round trip time for bursts of datagrams.  Classes of service    will tend to be grouped together at each intermediate node in the    route.  If all of the queues with datagrams have consumed all of    their allocated chits, but one or more classes with empty queues have    unused chits then a percentage of these left over chits should be    carried over.  Divide the remaining chit counts by two (with round    down), then add in the refresh chit counts.  This allows a 50% carry    over for the next interval.  The carry over is self limiting to less    than or equal to the refresh chit count.  This prevents excessive    build up.  It provides some smoothing of the percentage allocation    over time but will not allow an unused queue to build up chits    indefinitely.  No timer is required. 
  176.  
  177.    If only a simple subset of the described algorithm is to be    implemented, then low delay queuing would be the best choice.  One    should use a small queue.  Service the queue with a high service rate    but restrict the bandwidth to a small reasonable percentage of the    available bandwidth.  Currently, wide area networks with high traffic    volumes do not provide low delay service unless low delay requests    are able to preempt other traffic. 
  178.  
  179. Applicability 
  180.  
  181.    When the output speed and volume match the input speed and volume,    queues don't get large.  If the queues never grow large enough to    exceed the guaranteed low delay performance, no queuing algorithm    other than first in, first out, should be used. 
  182.  
  183.    The algorithm could be turned on when the main queue size exceeds a    certain threshold.  The routing node can periodically check for queue 
  184.  
  185.  
  186.  
  187. Prue & Postel                                                   [Page 9] 
  188.  RFC 1046                Type-of-Service Queuing            February 1988 
  189.  
  190.     build up.  This queuing algorithm can be turned on when the maximum    delays will exceed the allowed nodal delay for low delay class of    service.  It can also be turned off when queue sizes are no longer a    problem. 
  191.  
  192. Issues 
  193.  
  194.    Several issues need to be addressed before type of service queuing as    described should be implemented.  What percentage of the bandwidth    should each class of service consume assuming an infinite supply of    each class of service datagrams?  What maximum delay (MGD) should be    guaranteed per node for low delay datagrams? 
  195.  
  196.    It is possible to provide a more optimal route if the queue sizes for    each class of service are considered in the routing decision.  This,    however, adds additional overhead and complexity to each routing    node.  This may be an unacceptable additional complexity. 
  197.  
  198.    How are we going to limit the use of more desirable classes of    service and higher priorities?  The algorithm limits use of the    various classes by restricting queue sizes especially the low delay    queue size.  This helps but it seems likely we will want to    instrument the number of datagrams requesting each Type-of-Service    and priority.  When a datagram requests multiple classes of service,    increment the instrumentation count once based upon the queue    actually used, selecting, low delay, high throughput, high    reliability, then regular.  If instrumentation reveals an excessive    imbalance, Internet operations can give this to administrators to    handle.  This instrumentation will show the distribution for types of    service requested by the Internet users.  This information can be    used to tune the Internet to service the user demands. 
  199.  
  200.    Will the routing algorithms in use today have problems when routing    data with this algorithm?  Simulation tests need to be done to model    how the Internet will react.  If, for example, an application    requests multiple classes of service, round trip times may fluctuate    significantly.  Would TCP have to be more sophisticated in its round    trip time estimator? 
  201.  
  202.    An objection to this type of queuing algorithm is that it is making    the routing and queuing more complicated.  There is current interest    in high speed packet switches which have very little protocol    overhead when handling/routing packets.  This algorithm complicates    not simplifies the protocol.  The bandwidth being made available is    increasing.  More T1 (1.5 Mbps) and higher speed links are being used    all the time.  However, in the history of communications, it seems    that the demand for bandwidth has always exceeded the supply.  When    there is wide spread use of optical fiber we may temporarily 
  203.  
  204.  
  205.  
  206. Prue & Postel                                                  [Page 10] 
  207.  RFC 1046                Type-of-Service Queuing            February 1988 
  208.  
  209.     experience a glut of capacity.  As soon as 1 gigabit optical fiber    link becomes reasonably priced, new applications will be created to    consume it all.  A single full motion high resolution color image    system can consume, as an upper limit, nearly a gigabit per second    channel (30 fps X 24 b/pixel X 1024 X 1024 pixels). 
  210.  
  211.    In the study of one gateway, Dave Clark discovered that the per    datagram processing of the IP header constituted about 20% of the    processing time.  Much of the time per datagram was spent on    restarting input, starting output and queuing datagrams.  He thought    that a small additional amount of processing to support Type-of-    Service would be reasonable.  He suggests that even if the code does    slow the gateway down, we need to see if TOS is good for anything, so    this experiment is valuable.  To support the new high speed    communications of the near future, Dave wants to see switches which    will run one to two orders of magnitude faster.  This can not be done    by trimming a few instructions here or there. 
  212.  
  213.    From a practical perspective, the problem this algorithm is trying to    solve is the lack of low delay service through the Internet today.    Implementing only the low delay queuing portion of this algorithm    would allow the Internet to provide a class of service it otherwise    could not provide.  Requesters of this class of service would not get    it for free.  Low delay class of datagram streams get low delay at    the cost of reliability and throughput. 
  214.  
  215.  
  216.  
  217.  
  218.  
  219.  
  220.  
  221.  
  222.  
  223.  
  224.  
  225.  
  226.  
  227.  
  228.  
  229.  
  230.  
  231.  
  232.  
  233.  
  234.  
  235.  
  236.  
  237.  
  238.  
  239.  Prue & Postel                                                  [Page 11] 
  240.  
  241.