home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Internet Info 1997 December / Internet_Info_CD-ROM_Walnut_Creek_December_1997.iso / drafts / draft_ietf_i / draft-ietf-issll-is802-framework-01.txt < prev    next >
Text File  |  1997-03-24  |  46KB  |  1,066 lines

  1.  
  2.  
  3. Internet Engineering Task Force                              A. Ghanwani
  4. INTERNET DRAFT                                                J. W. Pace
  5.                                                            V. Srinivasan
  6.                                                                      IBM
  7.                                                               April 1997
  8.  
  9.  
  10.              A Framework for Providing Integrated Services
  11.                Over Shared and Switched LAN Technologies
  12.  
  13.                 draft-ietf-issll-is802-framework-01.txt
  14.  
  15.  
  16. Status of This Memo
  17.  
  18.    This document is an Internet-Draft.  Internet Drafts are working
  19.    documents of the Internet Engineering Task Force (IETF), its areas,
  20.    and its working groups.  Note that other groups may also distribute
  21.    working documents as Internet Drafts.
  22.  
  23.    Internet Drafts are draft documents valid for a maximum of six
  24.    months, and may be updated, replaced, or obsoleted by other documents
  25.    at any time.  It is not appropriate to use Internet Drafts as
  26.    reference material, or to cite them other than as a ``working draft''
  27.    or ``work in progress.''
  28.  
  29.    To learn the current status of any Internet-Draft, please check
  30.    the ``1id-abstracts.txt'' listing contained in the internet-drafts
  31.    Shadow Directories on ds.internic.net (US East Coast), nic.nordu.net
  32.    (Europe), ftp.isi.edu (US West Coast), or munnari.oz.au (Pacific
  33.    Rim).
  34.  
  35.  
  36. Abstract
  37.  
  38.    Traditionally, LAN technologies such as ethernet and token ring have
  39.    been required to handle best effort services only.  No standard
  40.    mechanism exists for providing service guarantees on these media as
  41.    will be required by emerging and future multimedia applications.  The
  42.    anticipated demand for such applications on the Internet has led
  43.    to the development of RSVP, a signaling mechanism for performing
  44.    resource reservation in the Internet.  Concurrently, the Integrated
  45.    Services working group within the IETF has been working on the
  46.    definition of service classes called Integrated Services which are
  47.    expected to make use of RSVP. Applications will use these service
  48.    classes in order to obtain the desired quality of service from the
  49.    network.  LAN technologies such as token ring and ethernet typically
  50.    constitute the last hop in Internet connections.  It is therefore
  51.  
  52.  
  53.  
  54.  
  55.  
  56.  
  57. Ghanwani, Pace, Srinivasan         Expires October 1997         [Page i]
  58.  
  59. Internet Draft         Integrated Services Over LANs          April 1997
  60.  
  61.  
  62.    necessary to enhance these technologies so that they are able to
  63.    support the Integrated Services.  This memo describes a framework for
  64.    providing the functionality to support Integrated Services on shared
  65.    and switched LAN technologies.
  66.  
  67.  
  68.  
  69.  
  70.  
  71.  
  72.  
  73.  
  74.  
  75.  
  76.  
  77.  
  78.  
  79.  
  80.  
  81.  
  82.  
  83.  
  84.  
  85.  
  86.  
  87.  
  88.  
  89.  
  90.  
  91.  
  92.  
  93.  
  94.  
  95.  
  96.  
  97.  
  98.  
  99.  
  100.  
  101.  
  102.  
  103.  
  104.  
  105.  
  106.  
  107.  
  108.  
  109.  
  110.  
  111.  
  112.  
  113. Ghanwani, Pace, Srinivasan        Expires October 1997         [Page ii]
  114.  
  115. Internet Draft         Integrated Services Over LANs          April 1997
  116.  
  117.  
  118. 1. Introduction
  119.  
  120.    The Internet has traditionally provided support for best effort
  121.    traffic only.  However, with the recent advances in link layer
  122.    technology, and with numerous emerging real-time applications such
  123.    as video conferencing and Internet telephony, there has been much
  124.    interest for developing mechanisms which enable real-time services
  125.    over the Internet.  These new requirements have led to the design of
  126.    the Resource ReSerVation Protocol (RSVP) [3], a signaling mechanism
  127.    for providing resource reservation on the Internet.  The protocol
  128.    is currently being standardized by the IETF. Simultaneously, the
  129.    Integrated Services working group of the IETF has been working on
  130.    the specification of various service classes.  Each of these service
  131.    classes is designed to provide certain Quality of Service (QoS)
  132.    guarantees to traffic conforming to a specified set of parameters.
  133.    Applications are expected to use one of these classes depending on
  134.    their QoS requirements.
  135.  
  136.    There is no standard mechanism for providing service guarantees on
  137.    LAN technologies such as ethernet and token ring.  They, however,
  138.    typically constitute the last hop between users and the Internet
  139.    backbone.  Furthermore, the development of standards for high speed
  140.    LANs such as gigabit ethernet favors the likelihood that these
  141.    technologies will eventually be deployed in the backbone of campus
  142.    networks.  It is therefore necessary to enhance these technologies so
  143.    that they are able to support end-to-end service guarantees such as
  144.    those defined by the Integrated Services.
  145.  
  146.    In order to support real-time services, there must be some mechanism
  147.    for resource management at the link level.  Resource management
  148.    in this context encompasses the functions of admission control,
  149.    scheduling, traffic policing, etc.  The ISSLL (Integrated Services
  150.    over Specific Link Layers) working group in the IETF was chartered
  151.    with the purpose of exploring and standardizing such mechanisms for
  152.    various link layer technologies.
  153.  
  154.    This document is concerned with specifying a framework for providing
  155.    Integrated Services over shared and switched LAN technologies such
  156.    as ethernet/802.3, token ring/802.5, FDDI, etc.  We begin with a
  157.    list of definitions in Section 2.  Section 3 lists the requirements
  158.    and goals for a mechanism capable of providing Integrated Services
  159.    in a subnet.  We then discuss a taxonomy of topologies for the LAN
  160.    technologies under consideration with an emphasis on the capabilities
  161.    of each which can be leveraged for enabling Integrated Services.  The
  162.    resource management functions outlined in Section 3 are expected
  163.    to be provided by an entity which, in this document, is referred
  164.    to as the Bandwidth Manager (BM). The various components of the
  165.    Bandwidth Manager are discussed in the following section and some
  166.  
  167.  
  168.  
  169. Ghanwani, Pace, Srinivasan         Expires October 1997         [Page 1]
  170.  
  171. Internet Draft         Integrated Services Over LANs          April 1997
  172.  
  173.  
  174.    examples of the implementation of the Bandwidth Manager are provided.
  175.    Some issues with respect to link layer support for Integrated
  176.    Services are examined in Section 6.  In the development of this
  177.    framework, no assumptions have been made about the technology or
  178.    topology at the link layer.  The framework is intended to be as
  179.    exhaustive as possible; this means that it is possible that all the
  180.    functions discussed may not be supportable by a particular topology
  181.    or technology, but this should not preclude the usage of this model
  182.    for it.
  183.  
  184.  
  185. 2. Definitions
  186.  
  187.    The following is a list of the terms used in this document.
  188.  
  189.     -  End Station:  A device (e.g.  router, host) which runs the
  190.        application program or higher layer protocol which needs to make
  191.        reservations.
  192.  
  193.     -  Link Layer/Layer 2:  The data link layer.  This memo is concerned
  194.        with link layer technologies such as ethernet, token ring, and
  195.        FDDI.
  196.  
  197.     -  Link Layer Domain:  A an interconnection of segments and
  198.        bridges/switches between two end stations.
  199.  
  200.     -  Segment:  A link which is shared by one or more senders.
  201.  
  202.     -  Traffic Class:  A category of flows which are given similar
  203.        service within a bridge/switch.
  204.  
  205.  
  206. 3. Supporting Integrated Services Within a Subnet:  Requirements and
  207.    Goals
  208.  
  209.    This section discusses the requirements and goals which should drive
  210.    the design of an architecture for supporting Integrated Services over
  211.    LAN technologies.  The requirements refer to functions and features
  212.    which must be supported, while goals refer to functions and features
  213.    which are desirable, but are not an absolute necessity.  Many of the
  214.    requirements and goals are driven by the functionality supported by
  215.    RSVP.
  216.  
  217.  
  218. 3.1. Requirements
  219.  
  220.     -  Resource Reservation:  The mechanism must be capable of reserving
  221.        resources on a single segment or multiple segments and at
  222.  
  223.  
  224.  
  225. Ghanwani, Pace, Srinivasan         Expires October 1997         [Page 2]
  226.  
  227. Internet Draft         Integrated Services Over LANs          April 1997
  228.  
  229.  
  230.        bridges/switches connecting them.  It must be able to provide
  231.        reservations for both unicast and multicast sessions.  It should
  232.        be possible to change the level of reservation while the session
  233.        is in progress.
  234.  
  235.     -  Admission Control:  The mechanism must be able to estimate
  236.        the level of resources necessary to meet the QoS requested by
  237.        the session in order to decide whether or not the session can
  238.        be admitted.  For the purpose of management, it is useful to
  239.        provide the ability to respond to queries about availability of
  240.        resources.  It must be able to make admission control decisions
  241.        for different types of QoS such as guaranteed delay, guaranteed
  242.        bandwidth, etc.
  243.  
  244.     -  Flow Separation and Scheduling:  It is necessary to provide a
  245.        mechanism for traffic flow separation so that real-time flows can
  246.        be given preferential treatment over best effort flows.  Packets
  247.        of real-time flows can then be isolated and scheduled according
  248.        to their service requirements.  Scheduling algorithms can range
  249.        from simple static priority queueing to more complex algorithms
  250.        such as weighted fair queueing and its variants.
  251.  
  252.     -  Policing:  Traffic policing must be performed in order to ensure
  253.        that sources adhere to their negotiated traffic specifications.
  254.        Policing must be implemented at the sources and must ensure
  255.        that violating traffic is either dropped or transmitted as best
  256.        effort.  Policing may optionally be implemented in the bridges
  257.        and switches.  Alternatively, traffic may be shaped to insure
  258.        conformance to the negotiated parameters.
  259.  
  260.     -  Soft State:  The mechanism must maintain soft state information
  261.        about the reservations.  This means that state information must
  262.        be periodically refreshed if the reservation is to be maintained;
  263.        otherwise the state information and reservation will expire after
  264.        some pre-specified interval.
  265.  
  266.     -  Centralized or Distributed Implementation:  In the case of a
  267.        centralized implementation, a single entity manages the resources
  268.        of the entire subnet.  This approach has the advantage of being
  269.        easier to deploy since bridges and switches may not need to be
  270.        upgraded with additional functionality.  However, this approach
  271.        scales poorly with geographical size of the subnet and the number
  272.        of hosts attached.  In a fully distributed implementation, each
  273.        segment will have a local entity managing its resources.  This
  274.        approach has better scalability than the former.  However, it
  275.        requires that all bridges and switches in the network support
  276.        new mechanisms.  It is also possible to have a semi-distributed
  277.        implementation where there is most than one entity, each managing
  278.  
  279.  
  280.  
  281. Ghanwani, Pace, Srinivasan         Expires October 1997         [Page 3]
  282.  
  283. Internet Draft         Integrated Services Over LANs          April 1997
  284.  
  285.  
  286.        the resources of a subset of segments and bridges/switches
  287.        within the subnet.  Ideally, implementation should be flexible;
  288.        i.e.  a centralized approach may be used for small subnets and a
  289.        distributed approach can be used for larger subnets.  Examples
  290.        of centralized and distributed implementations are discussed in
  291.        Section 4.
  292.  
  293.     -  Fault Tolerance and Recovery:  The mechanism must be able to
  294.        function in the presence of failures; i.e.  there should not
  295.        be a single point of failure.  For instance, in a centralized
  296.        implementation, some mechanism must be specified for back-up and
  297.        recovery in the event of failure.
  298.  
  299.     -  Network Management:  The MIBs supported must be specified.
  300.  
  301.     -  Interaction with Existing Resource Management Controls:  The
  302.        interaction with existing infrastructure for resource management
  303.        needs to be specified.  For example, FDDI has a resource
  304.        management mechanism called the "Synchronous Bandwidth Manager".
  305.        The mechanism must be designed so that it takes advantage of,
  306.        and specifies the interaction with, existing controls where
  307.        available.
  308.  
  309.  
  310. 3.2. Goals
  311.  
  312.     -  Independence from higher layer protocols:  The mechanism should,
  313.        as far as possible, be independent of higher layer protocols
  314.        such as RSVP and IP. Independence from RSVP is desirable so that
  315.        it can interwork with other reservation protocols such as STII.
  316.        Independence from IP is desirable so that it can interwork with
  317.        network layer protocols such as IPX, NetBIOS, etc.
  318.  
  319.     -  Receiver heterogeneity:  Receiver heterogeneity refers to
  320.        multicast communication where different receivers request
  321.        different levels of service.  For example, in a multicast
  322.        group with many receivers, it is possible that one of the
  323.        receivers desires a lower delay bound than the others.  A
  324.        better delay bound may be provided by increasing the amount
  325.        of resources reserved along the path to that receiver while
  326.        leaving the reservations for the other receivers unchanged.
  327.        In its most complex form, receiver heterogeneity implies the
  328.        ability to simultaneously provide various levels of service as
  329.        requested by different receivers.  In its simplest form, receiver
  330.        heterogeneity will allow a scenario where some of the receivers
  331.        use best effort service and those requiring service guarantees
  332.        make a reservation.  Receiver heterogeneity, especially for the
  333.        reserved/best effort scenario, is a very desirable function.
  334.  
  335.  
  336.  
  337. Ghanwani, Pace, Srinivasan         Expires October 1997         [Page 4]
  338.  
  339. Internet Draft         Integrated Services Over LANs          April 1997
  340.  
  341.  
  342.        More details on supporting receiver heterogeneity are provided in
  343.        Section 6.
  344.  
  345.     -  Support for different filter styles:  It is desirable to provide
  346.        support for the different filter styles defined by RSVP such as
  347.        fixed filter, shared explicit and shared wildcard.  Some of the
  348.        issues with respect to supporting such filter styles in the link
  349.        layer domain are examined in Section 6.
  350.  
  351.     -  Scalability:  The mechanism and protocols should have a low
  352.        overhead and should scale to the largest receiver groups likely
  353.        to occur within a single link layer domain.
  354.  
  355.     -  Path Selection:  In source routed LAN technologies such as token
  356.        ring/802.5, it may be useful for the mechanism to incorporate the
  357.        function of path selection.  Using an appropriate path selection
  358.        mechanism will optimize utilization of network resources.
  359.  
  360.  
  361. 4. LAN Topologies and Their Features
  362.  
  363.    As stated earlier, this memo is concerned with specifying a framework
  364.    for supporting Integrated Services in LAN technologies such as
  365.    ethernet/IEEE 802.3, token ring/IEEE 802.5, and FDDI. The extent
  366.    to which service guarantees can be provided by a network depend to
  367.    a large degree on the ability to provide the key functions of flow
  368.    identification and scheduling in addition to admission control and
  369.    policing.  This section discusses some of the capabilities of these
  370.    LAN technologies and provides a taxonomy of possible topologies
  371.    emphasizing the capabilities of each with regard to supporting the
  372.    above functions.
  373.  
  374.    For the technologies considered here, the basic topology of a LAN
  375.    may be shared, switched half duplex or switched full duplex.  In the
  376.    shared topology, multiple senders share a single segment.  Contention
  377.    for media access is resolved using protocols such as CSMA/CD in
  378.    ethernet and token passing in token ring and FDDI. Switched half
  379.    duplex, is essentially a shared topology with the restriction that
  380.    there are only two transmitters contending for resources on any
  381.    segment.  This topology is fast becoming popular with the need for
  382.    increased bandwidth.  Finally, in a switched full duplex topology, a
  383.    full bandwidth path is available to the transmitter at each end of
  384.    the link at all times.  Therefore, in this topology, there is no need
  385.    for any access control mechanism such as CSMA/CD or token passing as
  386.    there is no contention between the transmitters.
  387.  
  388.    Another important element in the discussion of topologies is the
  389.    support for multiple traffic classes.  Traffic classes provide a
  390.  
  391.  
  392.  
  393. Ghanwani, Pace, Srinivasan         Expires October 1997         [Page 5]
  394.  
  395. Internet Draft         Integrated Services Over LANs          April 1997
  396.  
  397.  
  398.    coarse method for isolation between flows and allows the possibility
  399.    to easily support scheduling algorithms in order to meet service
  400.    requirements.  Native ethernet/802.3 does not support multiple
  401.    traffic classes.  Token ring/802.5 and FDDI on the other hand
  402.    provides support for traffic classes.  Three bits of the Frame
  403.    Control field are used to indicate the Frame Priority which may be
  404.    mapped to a traffic class as appropriate.  Equally important in
  405.    token ring networks are the notions of Reserved Priority and Access
  406.    Priority.  Reserved Priority relates to the value of priority which
  407.    a station uses to reserve the token for the next transmission on
  408.    the ring.  When a free token is circulating, only a station having
  409.    an Access Priority greater than or equal to the Reserved Priority
  410.    in the token will be allowed to seize the token for transmission.
  411.    More recently, the IEEE 802 Standards Committee has been working on
  412.    the a 802.1p, a standard for expedited traffic classes and dynamic
  413.    multicast filtering in bridges and switches [1].  The proposed
  414.    standard requires a new frame format for ethernet in which three
  415.    bits are used for indicating the User Priority which may be mapped
  416.    to an appropriate traffic class.  Up to eight traffic classes may
  417.    be supported.  The actual number of traffic classes supported is
  418.    an implementation option.  Further, the emerging standard does not
  419.    specify scheduling algorithms between traffic classes.
  420.  
  421.    Depending on the basic topology used and the ability to support
  422.    traffic classes, there are six possible scenarios as follows:
  423.  
  424.     1. Shared topology without traffic classes:  This category includes
  425.        pure shared media such as ethernet/802.3 networks which are
  426.        multi-access technologies with no support for priority signaling
  427.        and traffic classes.  Shared topology without traffic classes
  428.        offers little capability for isolation between reserved and
  429.        unreserved flows.  No service guarantees can be provided in
  430.        this scenario without modification to the basic transmission
  431.        mechanisms.
  432.  
  433.     2. Shared topology with traffic classes:  This category includes
  434.        ethernet/802.3 networks which implement the emerging IEEE
  435.        802.1p standard, as well as token ring/802.5 and FDDI networks.
  436.        Even with support for traffic classes, shared ethernet can at
  437.        best offer loose statistical service guarantees because of the
  438.        non-deterministic nature of the CSMA/CD protocol.  On the other
  439.        hand, better guarantees can be provided on token ring media if
  440.        the Frame Priority, Reserved Priority and Access Priority are
  441.        used in conjunction with appropriate controls.
  442.  
  443.     3. Switched half duplex topology without traffic classes:  This
  444.        scenario is a special case of shared topology without traffic
  445.        classes where there are only two senders contending for resources
  446.  
  447.  
  448.  
  449. Ghanwani, Pace, Srinivasan         Expires October 1997         [Page 6]
  450.  
  451. Internet Draft         Integrated Services Over LANs          April 1997
  452.  
  453.  
  454.        on any segment (a host and a switch or two switches).  This
  455.        topology provides higher bandwidth per station and fewer
  456.        collisions.  Due to the use of the CSMA/CD protocol and the lack
  457.        of traffic classes, little can be done to isolate flows and
  458.        provide scheduling.
  459.  
  460.     4. Switched half duplex topology with traffic classes:  This
  461.        scenario is a special case of shared topology with priority
  462.        but there are now only two senders contending for resources
  463.        on any segment.  This reduces the contention for resources.
  464.        Ethernet/802.3 networks with this topology will likely be
  465.        able to support better statistical service guarantees than
  466.        the corresponding shared topology.  Better guarantees will be
  467.        possible for token ring/802.5 media with this topology.
  468.  
  469.     5. Switched full duplex topology without traffic classes:  This
  470.        scenario includes switched ethernet/802.3 and token ring/802.5
  471.        where the access control protocol is no longer used since a full
  472.        bandwidth path is available to each transmitter.  However, since
  473.        traffic classes are not available, it is not possible to isolate
  474.        flows for scheduling.
  475.  
  476.     6. Switched full duplex topology with traffic classes:  This
  477.        category is similar to the above, but traffic classes are
  478.        also available.  This topology is the most capable in terms of
  479.        link layer functions that can be exploited for supporting the
  480.        functions of flow separation and scheduling.
  481.  
  482.    There is also the possibility of hybrid topologies where two or more
  483.    of the above coexist.  For instance, it is possible that within a
  484.    single subnet, there are some bridges/switches which support traffic
  485.    classes and some which do not.  If the flow in question traverses
  486.    both kinds of bridges/switches in the network, the least common
  487.    denominator will prevail.  In other words, as far as that flow is
  488.    concerned, the network is of the type corresponding to the least
  489.    capable topology that is traversed.
  490.  
  491.    Note that even within the different switched topologies categorized
  492.    above, there are likely to be switches having varied capabilities
  493.    with respect to providing functions such as receiver heterogeneity
  494.    and the ability to dedicate resources such as buffering and
  495.    scheduling algorithms for supporting the various Integrated Services.
  496.    Future work on service mappings in the ISSLL working group will
  497.    elaborate on these issues.
  498.  
  499.  
  500.  
  501.  
  502.  
  503.  
  504.  
  505. Ghanwani, Pace, Srinivasan         Expires October 1997         [Page 7]
  506.  
  507. Internet Draft         Integrated Services Over LANs          April 1997
  508.  
  509.  
  510. 5. Architecture for Supporting Integrated Services in LANs
  511.  
  512.    The functional requirements described in Section 3 will be performed
  513.    by an entity which we refer to as the Bandwidth Manager (BM). The BM
  514.    is responsible for providing mechanisms for an application or higher
  515.    layer protocol to request QoS from the network.  For architectural
  516.    purposes, the BM consists of the following components.
  517.  
  518.  
  519. 5.1. Components of the Bandwidth Manager
  520.  
  521. 5.1.1. Requester Module
  522.  
  523.    The Requester Module (RM) resides in every end station in the subnet.
  524.    One of its functions is to provide an interface between applications
  525.    or higher layer protocols such as RSVP, STII, SNMP, etc.  and the BM.
  526.    An application can invoke the various functions of the BM by using
  527.    the primitives for communication with the RM and providing it with
  528.    the appropriate parameters.  To initiate a reservation, in the link
  529.    layer domain, the following parameters must be passed to the RM: the
  530.    service desired (Guaranteed Service or Controlled Load), the traffic
  531.    descriptors contained in the TSpec, and an RSpec specifying the
  532.    amount of resources to be reserved [8].  More information on these
  533.    parameters may be found in the relevant Integrated Services documents
  534.    [8,9].  When RSVP is used for signaling at the network layer, this
  535.    information is available and needs to be extracted from the RSVP PATH
  536.    and RSVP RESV messages (See [7] for details).  In addition to these
  537.    parameters, the network layer addresses of the end points must be
  538.    specified.  The RM must then translate the network layer addresses
  539.    to link layer addresses and convert the request into an appropriate
  540.    format which is understood by other components of the BM responsible
  541.    admission control.  The RM is also responsible for returning the
  542.    status of requests processed by the BM to the invoking application or
  543.    higher layer protocol.
  544.  
  545.  
  546. 5.1.2. Bandwidth Allocator
  547.  
  548.    The Bandwidth Allocator (BA) is responsible for performing admission
  549.    control and maintaining state about the allocation of resources
  550.    in the subnet.  An end station can request various services, e.g.
  551.    bandwidth reservation, modification of an existing reservation,
  552.    queries about resource availability, etc.  These requests are
  553.    processed by the BA. The communication between the end station and
  554.    the BA takes place through the RM. The location of the BA will
  555.    depend largely on the implementation method.  In a centralized
  556.    implementation, the BA may reside on a single station in the
  557.    subnet.  In a distributed implementation, the functions of the BA
  558.  
  559.  
  560.  
  561. Ghanwani, Pace, Srinivasan         Expires October 1997         [Page 8]
  562.  
  563. Internet Draft         Integrated Services Over LANs          April 1997
  564.  
  565.  
  566.    may be distributed in all the end stations and bridges/switches as
  567.    necessary.  The BA is also responsible for deciding how to label
  568.    flows, e.g.  based on the admission control decision, the BA may
  569.    indicate to the RM that packets belonging to a particular flow be
  570.    tagged with some priority value which maps to the appropriate traffic
  571.    class.
  572.  
  573.  
  574. 5.1.3. Communication Protocols and Primitives
  575.  
  576.    The protocols and primitives for communication between the various
  577.    components of the BM must be specified.  These include the following:
  578.  
  579.     -  Communication between the higher layer protocols and the RM:
  580.        The BM must define primitives for the application to initiate
  581.        reservations, query the BA about available resources, and
  582.        change or delete reservations, etc.  These primitives could be
  583.        implemented as an API for an application to invoke functions of
  584.        the BM via the RM.
  585.  
  586.     -  Communication between the RM and the BA: A signaling mechanism
  587.        must be defined for the communication between the RM and the BA.
  588.        This protocol will specify the messages which must be exchanged
  589.        between the RM and the BA in order to service various requests by
  590.        the higher layer entity.
  591.  
  592.     -  Communication between peer BAs:  If there is more than one BA in
  593.        the subnet, a means must be specified for inter-BA communication.
  594.        Specifically, the BAs must be able to decide among themselves
  595.        about which BA would be responsible for which segments and
  596.        bridges or switches.  Further, if a request is made for resource
  597.        reservation along the domain of multiple BAs, the BAs must be
  598.        able to handle such a scenario correctly.  Inter-BA communication
  599.        will also be responsible for back-up and recovery in the event of
  600.        failure.
  601.  
  602.  
  603. 5.2. Implementation Scenarios
  604.  
  605.    Example scenarios are provided showing the location of the the
  606.    components of the bandwidth manager in centralized and fully
  607.    distributed implementations.  Note that in either case, the RM must
  608.    be present in all end stations which desire to make reservations.
  609.    Essentially, centralized or distributed refers to the implementation
  610.    of the BA, the component responsible for resource reservation
  611.    and admission control.  In the figures below, "App" refers to
  612.    the application making use of the BM. It could either be a user
  613.    application, or a higher layer protocol process such as RSVP.
  614.  
  615.  
  616.  
  617. Ghanwani, Pace, Srinivasan         Expires October 1997         [Page 9]
  618.  
  619. Internet Draft         Integrated Services Over LANs          April 1997
  620.  
  621.  
  622.                                +---------+
  623.                            .-->|  BA     |<--.
  624.                           /    +---------+    \
  625.                          / .-->| Layer 2 |<--. \
  626.                         / /    +---------+    \ \
  627.                        / /                     \ \
  628.                       / /                       \ \
  629.   +---------+        / /                         \ \       +---------+
  630.   |  App    |<----- /-/---------------------------\-\----->|  App    |
  631.   +---------+      / /                             \ \     +---------+
  632.   |  RM     |<----. /                               \ .--->|  RM     |
  633.   +---------+      / +---------+        +---------+  \     +---------+
  634.   | Layer 2 |<------>| Layer 2 |<------>| Layer 2 |<------>| Layer 2 |
  635.   +---------+        +---------+        +---------+        +---------+
  636.  
  637.   RSVP Host/         Intermediate       Intermediate       RSVP Host/
  638.      Router          Bridge/Switch      Bridge/Switch         Router
  639.  
  640.    Figure 1:  Bandwidth Manager with a centralized Bandwidth Allocator
  641.  
  642.    Figure 1 shows a centralized implementation where a single BA is
  643.    responsible for admission control decisions for the entire subnet.
  644.    Every end station contains an RM. Intermediate bridges and switches
  645.    in the network need not have any functions of the BM since they will
  646.    not be actively participating in admission control.  The RM at the
  647.    end station requesting a reservation initiates communication with
  648.    its BA. For larger subnets, a single BA may not be able to handle
  649.    the reservations for the entire subnet.  In that case it would be
  650.    necessary to deploy multiple BAs, each managing the resources of a
  651.    non-overlapping subset of segments.  In a centralized implementation,
  652.    the BA must be able to access topology information such as link layer
  653.    spanning tree information in order to be able to reserve resources
  654.    on appropriate segments.  Without this topology information, the BM
  655.    would have to reserve resources on the entire spanning tree for all
  656.    flows leading to an inefficient utilization of resources.
  657.  
  658.  
  659.  
  660.  
  661.  
  662.  
  663.  
  664.  
  665.  
  666.  
  667.  
  668.  
  669.  
  670.  
  671.  
  672.  
  673. Ghanwani, Pace, Srinivasan        Expires October 1997         [Page 10]
  674.  
  675. Internet Draft         Integrated Services Over LANs          April 1997
  676.  
  677.  
  678.  
  679.   +---------+                                              +---------+
  680.   |  App    |<-------------------------------------------->|  App    |
  681.   +---------+        +---------+        +---------+        +---------+
  682.   |  RM/BA  |<------>|  BA     |<------>|  BA     |<------>|  RM/BA  |
  683.   +---------+        +---------+        +---------+        +---------+
  684.   | Layer 2 |<------>| Layer 2 |<------>| Layer 2 |<------>| Layer 2 |
  685.   +---------+        +---------+        +---------+        +---------+
  686.  
  687.   RSVP Host/         Intermediate       Intermediate       RSVP Host/
  688.      Router          Bridge/Switch      Bridge/Switch         Router
  689.  
  690.    Figure 2:  Bandwidth Manager with a fully distributed Bandwidth
  691.    Allocator
  692.  
  693.    Figure 2 depicts the scenario of a fully distributed bandwidth
  694.    manager.  In this case, all devices in the subnet must have some BM
  695.    functionality.  All the end hosts are still required to have an RM.
  696.    In addition, all bridges and switches must actively participate in
  697.    admission control.  With this approach, the BA would need only local
  698.    topology information since each BA is responsible for the resources
  699.    on segments that are directly connected to it.  This local topology
  700.    information, such as which ports are on the spanning tree and
  701.    which unicast addresses are reachable from which ports, is readily
  702.    available in existing bridges/switches.
  703.  
  704.    Note that in the figures above, the arrows between peer layers are
  705.    used to indicate logical connectivity.
  706.  
  707.  
  708. 5.3. Logical Operation of the BM in End Stations and Link Layer Domain
  709.  
  710.    The figure below shows the location and logical operation of the
  711.    BM in end stations and the link layer domain.  It is not possible
  712.    to provide the details of physical flows because of the inherent
  713.    differences that arise in centralized and distributed implementations
  714.    as discussed in Section 5.2.
  715.  
  716.  
  717.  
  718.  
  719.  
  720.  
  721.  
  722.  
  723.  
  724.  
  725.  
  726.  
  727.  
  728.  
  729. Ghanwani, Pace, Srinivasan        Expires October 1997         [Page 11]
  730.  
  731. Internet Draft         Integrated Services Over LANs          April 1997
  732.  
  733.  
  734.     +-------------------------+
  735.     |  +--------+   +------+  |
  736.     |  |Appli-  <--->  RM  |  |
  737.     |  | cation |   +--^---+  |
  738.     |  +--------+      |      |     +-------------------------+
  739.     |    ||         +--V---+  |     |               +------+  |
  740.     |    ||  +------|  BA  <------------------------>  BA  |  |
  741.     |    ||  |      +------+  |     |  +----------+ +-^-^|-+  |
  742.     |    ||  |         |      |     |  |Forwarding|   | ||    |
  743.     |    ||  |         |      |     |  |Process   <---+ ||    |
  744.     |    ||  |         |      |     |  +---|------+     ||    |
  745.     |    ||  |         |      |     |      |  +---------+|    |
  746.     |    \/  |         |      |     |      |  |          |    |
  747.     |  +-----V-+    +--V---+  |     |  +---V--V+    +----V-+  |
  748.     |  |Class- |    |Sched-|  |     |  |Class- |    |Sched-|  |
  749.     |  | ifier |===>| uler |==========>| ifier |===>| uler |====>
  750.     |  +-------+    +------+  |     |  +-------+    +------+  |
  751.     +-------------------------+     +-------------------------+
  752.  
  753.          End Station                      Link Layer Domain
  754.  
  755.     ---->  Signaling/Control
  756.     ====>  Data
  757.  
  758.    Figure 3:  The logical Operation of the BM in end stations and the
  759.    link layer domain.
  760.  
  761.    The application, which may be RSVP or some other higher layer
  762.    reservation protocol requests resources by passing the relevant
  763.    parameters to the RM. The RM then starts the process of resource
  764.    reservation at the link layer by contacting the local BA. In the
  765.    case of a distributed implementation, The local BA is responsible
  766.    for admission control on the segment to which the end station is
  767.    directly attached.  If the reservation succeeds, the local BA sets
  768.    up the classifier and scheduler as required so that the appropriate
  769.    priority is used for the flow.  The request is then propagated
  770.    to the the "remote" BA controlling the other segments along the
  771.    forwarding path.  In this case, it is possible to set up more complex
  772.    schedulers as well as policing at the bridges/switches since the
  773.    BA, which maintains the state, is co-located in every bridge/switch
  774.    and participates actively in the process of admission control.  In
  775.    a centralized implementation, the BA resides in a server within the
  776.    subnet.  The classifier and scheduler in the bridges/switches along
  777.    the forwarding path are implicitly set up by the priority carried in
  778.    the data frames if the reservation is successful.
  779.  
  780.  
  781.  
  782.  
  783.  
  784.  
  785. Ghanwani, Pace, Srinivasan        Expires October 1997         [Page 12]
  786.  
  787. Internet Draft         Integrated Services Over LANs          April 1997
  788.  
  789.  
  790. 6. Mapping Issues and Link Layer Support for IntServ Traffic Classes
  791.  
  792.    As stated earlier, the Integrated Services working group has defined
  793.    various service classes offering varying degrees of QoS guarantees.
  794.    Initial effort will concentrate on enabling the Controlled Load
  795.    and Guaranteed Service classes [4,5].  The Controlled Load service
  796.    provides a loose guarantee, informally stated as "better than best
  797.    effort".  The Guaranteed Service provides a delay bound which the
  798.    network guarantees will never be exceeded.  The extent to which these
  799.    services can be supported at the link layer will depend on many
  800.    factors including the topology and technology used.  Some of the
  801.    mapping issues are dicussed below in light of the emerging link layer
  802.    standards and the functions supported by higher layer protocols.
  803.    Considering the limitations of some of the topologies under
  804.    consideration, it may not be possible to satisfy all the requirements
  805.    for Integrated Services on a given topology.  In such cases, it
  806.    is useful to consider providing support for an approximation of
  807.    the service which may suffice in most practical instances.  For
  808.    example, it may not be feasible to provide policing/shaping at each
  809.    network element (bridge/switch) as required by the Controlled Load
  810.    specification [4].  But if this task is left to the end stations, a
  811.    reasonably good approximation to the service can be obtained.
  812.  
  813.  
  814. 6.1. Mapping of Services to Link Level Priority
  815.  
  816.    The number of traffic classes supported and access methods of
  817.    the technology under consideration will determine how many and
  818.    what services may be supported.  Native token ring/802.5, for
  819.    instance, supports eight priority levels which may be mapped to
  820.    one or more traffic classes.  Ethernet/802.3 has no support for
  821.    signaling priorities within frames.  However, the IEEE 802 standards
  822.    committee is working on a new standard for bridges/switches related
  823.    to multimedia traffic expediting and dynamic multicast filtering
  824.    [1].  These standards allow for eight levels of User Priority on all
  825.    media.  The User Priority is signaled on an end-to-end basis, unless
  826.    overridden by bridge/switch management.
  827.  
  828.    The priority that is used by a flow should depend on the quality of
  829.    service desired and whether the reservation was successful or not.
  830.    Therefore, a sender should use the a priority value which maps to
  831.    the best effort traffic class until told otherwise by the BM. The BM
  832.    will, upon successful completion of resource reservation, specify
  833.    the User Priority to be used by the sender for that session's data.
  834.    Future work in the ISSLL working group will address the issue of
  835.    mapping User Priority to traffic classes in the bridges/switches.
  836.  
  837.  
  838.  
  839.  
  840.  
  841. Ghanwani, Pace, Srinivasan        Expires October 1997         [Page 13]
  842.  
  843. Internet Draft         Integrated Services Over LANs          April 1997
  844.  
  845.  
  846. 6.2. Supporting Receiver Heterogeneity
  847.  
  848.    Receiver heterogeneity means that receivers within a group can each
  849.    have different QoS requirements; i.e.  it is possible that, for a
  850.    given flow, some receivers make a reservation while others decide
  851.    to make use of best effort transport.  RSVP allows heterogeneous
  852.    receivers within a group.  However, handling the problem at layer
  853.    2 can be non-trivial.  Consider for instance, the scenario in the
  854.    figure below.
  855.  
  856.                    +-----+
  857.                    | R1  |
  858.                    +-----+
  859.                       |
  860.                       v
  861.       +-----+      +-----+      +-----+
  862.       | R2  |<-----| SW  |----->| R3  |
  863.       +-----+      +-----+      +-----+
  864.  
  865.    Figure 4:  An instance of receiver heterogeneity.  R1 is the source.
  866.    R2 is a receiver which makes a reservation, and R3 is a receiver
  867.    which is satisfied with best effort service.  SW is a Layer 2 device
  868.    (bridge/switch) participating in resource reservation.
  869.  
  870.    In the figure above, R1 is the upstream end station and R2 and R3
  871.    are downstream end stations.  R2 would like to make a reservation
  872.    for the flow while R3 would like to receive the flow using best
  873.    effort transport.  R1 sends RSVP PATH messages which are multicast
  874.    to both R2 and R3.  R2 sends an RSVP RESV message to R1 requesting
  875.    the reservation of resources.  If the reservation is successful at
  876.    Layer 2, the frames addressed to the group will be categorized in
  877.    the traffic class corresponding to the service requested by R3.  At
  878.    SW, there must be some mechanism which forwards the packet using
  879.    providing service corresponding to the reserved traffic class at the
  880.    interface to R3 while using the best effort traffic class at the
  881.    interface to R2.  This may involve changing the contents of the frame
  882.    itself, or ignoring the frame priority at the interface to R2.
  883.  
  884.    Another possibility for supporting heterogeneous receivers would be
  885.    to have separate groups with distinct addresses, one for each class
  886.    of service.  By default, a receiver would join the "best effort"
  887.    group where the flow is classified as best effort.  If the receiver
  888.    makes a reservation successfully, it can be transferred to the group
  889.    for the class of service desired.  The dynamic multicast filtering
  890.    capabilities of bridges and switches implementing the emerging IEEE
  891.    802.1p standard would be a very useful feature in such a scenario.
  892.    A given flow would be transmitted only on those segments which are
  893.    on the path between the sender and the receivers of that flow.  The
  894.  
  895.  
  896.  
  897. Ghanwani, Pace, Srinivasan        Expires October 1997         [Page 14]
  898.  
  899. Internet Draft         Integrated Services Over LANs          April 1997
  900.  
  901.  
  902.    obvious disadvantage of such an approach is that the sender needs to
  903.    send out multiple copies of the same packet corresponding to each
  904.    class of service desired.
  905.  
  906.  
  907. 6.3. Support for Different Reservation Styles
  908.  
  909.               +-----+       +-----+       +-----+
  910.               | R1  |       | R2  |       | R3  |
  911.               +-----+       +-----+       +-----+
  912.                  |             |             |
  913.                  |             v             |
  914.                  |          +-----+          |
  915.                  +--------->| SW  |<---------+
  916.                             +-----+
  917.                              |   |
  918.                         +----+   +----+
  919.                         |             |
  920.                         v             V
  921.                      +-----+       +-----+
  922.                      | R4  |       | R5  |
  923.                      +-----+       +-----+
  924.  
  925.    Figure 5:  An illustration of filter styles.  R1, R2, R3, R4 and R5
  926.    are RSVP end stations which are members of the same group.  SW is a
  927.    bridge/switch in the link layer domain.
  928.  
  929.    In the figure above, R1-R5 are end stations which are members of a
  930.    group associated with the same RSVP flow.  R1, R2 and R3 are upstream
  931.    end stations.  R4 and R5 are the downstream end stations which
  932.    receive traffic from all the senders.  RSVP allows receivers R4 and
  933.    R5 to specify reservations which can apply to:  (a) one specific
  934.    sender only (fixed filter); (b) any of two or more explicitly
  935.    specified senders (shared explicit filter); and (c) any sender in the
  936.    group (shared wildcard filter).  Support for the fixed filter style
  937.    is straightforward; a separate reservation is made for the traffic
  938.    from each of the senders.  However, support for the the other two
  939.    filter styles has implications regarding policing; i.e.  the merged
  940.    flow from the different senders must be policed so that they conform
  941.    to traffic parameters specified in the filter's RSpec.  This scenario
  942.    is further complicated if the services requested by R4 and R5 are
  943.    different.
  944.  
  945.  
  946. 7. Summary
  947.  
  948.    This document has specified a framework for providing Integrated
  949.    Services over shared and switched LAN technologies.  The ability to
  950.  
  951.  
  952.  
  953. Ghanwani, Pace, Srinivasan        Expires October 1997         [Page 15]
  954.  
  955. Internet Draft         Integrated Services Over LANs          April 1997
  956.  
  957.  
  958.    provide QoS guarantees necessitates some form of admission control
  959.    and resource management.  The requirements and goals of a resource
  960.    management scheme for subnets have been identified and discussed.
  961.    We refer to the entire resource management scheme as a Bandwidth
  962.    Manager.  Architectural considerations were discussed and examples
  963.    were provided to illustrate possible implementations of a Bandwidth
  964.    Manager.  Some of the issues involved in mapping the services from
  965.    higher layers to the link layer have also been discussed.
  966.  
  967.  
  968. References
  969.  
  970.  
  971. [1] IEEE Standards for Local and Metropolitan Area Networks:
  972.     Draft Standard for Traffic Class and Dynamic Multicast Filtering
  973.     Services in Bridged Local Area Networks (Draft Supplement to
  974.     802.1D), P802.1p/D5, February, 1997.
  975.  
  976. [2] IEEE Standards for Local and Metropolitan Area Networks:
  977.     Draft Standard for Virtual Bridged Local Area Networks,
  978.     P802.1Q/D5, February, 1997.
  979.  
  980. [3] B. Braden, L. Zhang, S. Berson, S. Herzog and S. Jamin,
  981.     "Resource Reservation Protocol (RSVP) - Version 1 Functional
  982.     Specification," Internet Draft, November 1996,
  983.     <draft-ietf-rsvp-spec-14.txt>
  984.  
  985. [4] J. Wroclawski, "Specification of the Controlled Load Network
  986.     Element Service," Internet Draft, November 1996,
  987.     <draft-ietf-intserv-ctrl-load-svc-04.txt>
  988.  
  989. [5] S. Shenker, C. Partridge and R. Guerin, "Specification of
  990.     Guaranteed Quality of Service," Internet Draft, August 1996,
  991.     <draft-ietf-intserv-guaranteed-svc-06.txt>
  992.  
  993. [6] R. Braden, D. Clark and S. Shenker, "Integrated Services in the
  994.     Internet Architecture: An Overview,"  RFC 1633, June 1994.
  995.  
  996. [7] J. Wroclawski, "The Use of RSVP with IETF Integrated Services,"
  997.     Internet Draft, October 1996, <draft-ietf-intserv-rsvp-use-01.txt>
  998.  
  999. [8] S. Shenker and J. Wroclawski, "Network Element Service
  1000.     Specification Template", Internet Draft, November 1995,
  1001.     <draft-ietf-intserv-svc-template-02.txt>
  1002.  
  1003. [9] S. Shenker and J. Wroclawski, "General Characterization Parameters
  1004.     for Integrated Service Network Elements", Internet Draft,
  1005.     October 1996, <draft-ietf-intserv-charac-02.txt>
  1006.  
  1007.  
  1008.  
  1009. Ghanwani, Pace, Srinivasan        Expires October 1997         [Page 16]
  1010.  
  1011. Internet Draft         Integrated Services Over LANs          April 1997
  1012.  
  1013.  
  1014.  
  1015.  
  1016.  
  1017. Acknowledgements
  1018.  
  1019.    Much of the work presented in this document has benefited greatly
  1020.    from discussion held at the meetings of the Integrated Services over
  1021.    Specific Link Layers (ISSLL) working group.  In particular we would
  1022.    like to thank Eric Crawley, Don Hoffman, Mick Seaman, Andrew Smith
  1023.    and Raj Yavatkar who have contributed to this effort via earlier
  1024.    Internet drafts.
  1025.  
  1026.  
  1027. Authors' Address
  1028.  
  1029.           Anoop Ghanwani
  1030.           IBM Corporation
  1031.           P. O. Box 12195
  1032.           Research Triangle Park, NC 27709
  1033.           Phone:   +1-919-254-0260
  1034.           Fax:     +1-919-254-5410
  1035.           Email:   anoop@raleigh.ibm.com
  1036.  
  1037.           Wayne Pace
  1038.           IBM Corporation
  1039.           P. O. Box 12195
  1040.           Research Triangle Park, NC 27709
  1041.           Phone:   +1-919-254-4930
  1042.           Fax:     +1-919-254-5410
  1043.           Email:   pacew@raleigh.ibm.com
  1044.  
  1045.           Vijay Srinivasan
  1046.           IBM Corporation
  1047.           P. O. Box 12195
  1048.           Research Triangle Park, NC 27709
  1049.           Phone:   +1-919-254-2730
  1050.           Fax:     +1-919-254-5410
  1051.           Email:   vijay@raleigh.ibm.com
  1052.  
  1053.  
  1054.  
  1055.  
  1056.  
  1057.  
  1058.  
  1059.  
  1060.  
  1061.  
  1062.  
  1063.  
  1064.  
  1065. Ghanwani, Pace, Srinivasan        Expires October 1997         [Page 17]
  1066.