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-isslow-mcml-01.txt < prev    next >
Text File  |  1997-03-26  |  23KB  |  581 lines
  1.  
  2.  
  3. INTERNET-DRAFT                                           Carsten Bormann
  4. Expires: September 1997                              Universitaet Bremen
  5.                                                               March 1997
  6.  
  7.  
  8.               The Multi-Class Extension to Multi-Link PPP
  9.                   draft-ietf-issll-isslow-mcml-01.txt
  10.  
  11.  
  12. Status of this memo
  13.  
  14.    This document is an Internet-Draft.  Internet-Drafts are working
  15.    documents of the Internet Engineering Task Force (IETF), its areas,
  16.    and its working groups.  Note that other groups may also distribute
  17.    working documents as Internet-Drafts.
  18.  
  19.    Internet-Drafts are draft documents valid for a maximum of six months
  20.    and may be updated, replaced, or obsoleted by other documents at any
  21.    time.  It is inappropriate to use Internet-Drafts as reference
  22.    material or to cite them other than as ``work in progress.''
  23.  
  24.    To learn the current status of any Internet-Draft, please check the
  25.    ``1id-abstracts.txt'' listing contained in the Internet-Drafts Shadow
  26.    Directories on ftp.is.co.za (Africa), nic.nordu.net (Europe),
  27.    munnari.oz.au (Pacific Rim), ds.internic.net (US East Coast), or
  28.    ftp.isi.edu (US West Coast).
  29.  
  30.    Distribution of this document is unlimited.
  31.  
  32. Abstract
  33.  
  34.    A companion document describes an architecture for providing
  35.    integrated services over low-bitrate links, such as modem lines, ISDN
  36.    B-channels, and sub-T1 links [1].  The main components of the
  37.    architecture are: a real-time encapsulation format for asynchronous
  38.    and synchronous low-bitrate links, a header compression architecture
  39.    optimized for real-time flows, elements of negotiation protocols used
  40.    between routers (or between hosts and routers), and announcement
  41.    protocols used by applications to allow this negotiation to take
  42.    place.
  43.  
  44.    This document proposes the fragment-oriented solution for the real-
  45.    time encapsulation format part of the architecture.  The general
  46.    approach is to start from the PPP Multilink fragmentation protocol
  47.    [2] and provide a small number of extensions to add functionality and
  48.    reduce the overhead.
  49.  
  50.    This document is a product of the IETF ISSLL working group.
  51.    Comments are solicited and should be addressed to the two working
  52.    groups' mailing lists at issll@mercury.lcs.mit.edu and ietf-
  53.    ppp@merit.edu and/or the author.
  54.  
  55.  
  56.  
  57. Bormann                                                         [Page 1]
  58.  
  59. INTERNET-DRAFT The Multi-Class Extension to Multi-Link PPP    March 1997
  60.  
  61. 1.  Introduction
  62.  
  63.    As an extension to the ``best-effort'' services the Internet is well-
  64.    known for, additional types of services (``integrated services'')
  65.    that support the transport of real-time multimedia information are
  66.    being developed for and deployed in the Internet.
  67.  
  68.    A companion document describes an architecture for providing
  69.    integrated services over low-bitrate links, such as modem lines, ISDN
  70.    B-channels, and sub-T1 links [1].  The main components of the
  71.    architecture are: a real-time encapsulation format for asynchronous
  72.    and synchronous low-bitrate links, a header compression architecture
  73.    optimized for real-time flows, elements of negotiation protocols used
  74.    between routers (or between hosts and routers), and announcement
  75.    protocols used by applications to allow this negotiation to take
  76.    place.
  77.  
  78.    The present document defines the fragment-oriented solution for the
  79.    real-time encapsulation format part of the architecture, i.e. for the
  80.    queues-of-fragments type sender [1].  As described in more detail in
  81.    the architecture document, a real-time encapsulation format is
  82.    required as, e.g., a 1500 byte packet on a 28.8 kbit/s modem link
  83.    makes this link unavailable for the transmission of real-time
  84.    information for about 400 ms.  This adds a worst-case delay that
  85.    causes real-time applications to operate with round-trip delays on
  86.    the order of at least a second -- unacceptable for real-time
  87.    conversation.  The PPP extensions defined in this document allow a
  88.    sender to fragment the packets of various priorities into multiple
  89.    classes of fragments, allowing high-priority packets to be sent
  90.    between fragments of lower priorities.
  91.  
  92.    A companion document based on these extensions [5] defines a
  93.    suspend/resume-oriented solution for those cases where the best
  94.    possible delay is required and the senders are of type 1 [1].
  95.  
  96.  
  97. 2.  Requirements
  98.  
  99.    The main design goal for the components of an architecture that
  100.    addresses real-time multimedia flows over low-bitrate links is that
  101.    of minimizing the end-to-end delay.  More specifically, the worst
  102.    case delay (after removing possible outliers, which are equivalent to
  103.    packet losses from an application point of view) is what determines
  104.    the playout points selected by the applications and thus the delay
  105.    actually perceived by the user.
  106.  
  107.    In addition, every attempt should obviously be undertaken to maximize
  108.    the bandwidth actually available to media data; overheads must be
  109.    minimized.
  110.  
  111.    The solution should not place unnecessary burdens on the non-real-
  112.    time flows.  In particular, the usual MTU should be available to
  113.    these flows.
  114.  
  115. Bormann                                                         [Page 2]
  116.  
  117. INTERNET-DRAFT The Multi-Class Extension to Multi-Link PPP    March 1997
  118.  
  119.    The most general approach would provide the ability to suspend any
  120.    packet (real-time or not) for a more urgent real-time packet, up to
  121.    an infinite number of levels of nesting.  On the other hand, it is
  122.    likely that there would rarely be a requirement for a real-time
  123.    packet to suspend another real-time packet that is not at least about
  124.    twice as long.  Typically, the largest packet size to be expected on
  125.    a PPP link is the default MTU of 1500 bytes.  The smallest high-
  126.    priority packets are likely to have on the order of 21 bytes
  127.    (compressed RTP/G.723.1 packets).  In the 1:72 range of packet sizes
  128.    to be expected, this translates to a maximum requirement of about
  129.    eight levels of suspension (including one level where long real-time
  130.    packets suspend long non-real-time packets).  On 28.8kbit/s modems,
  131.    there seems to be a practical requirement for at least two levels of
  132.    suspension (i.e., audio suspends any longer packet including video,
  133.    video suspends other very long packets).
  134.  
  135.    On an architectural level, there are several additional requirements
  136.    for the fragmentation scheme:
  137.  
  138.    a)   The scheme must be predictable enough that admission control can
  139.         make decisions based on its characteristics.  As is argued in
  140.         [1], this will often only be the case when additional hints
  141.         about the characteristics of the flow itself are available
  142.         (application hints).
  143.  
  144.    b)   The scheme must be robust against errors, at least with the same
  145.         level of error detection as PPP.
  146.  
  147.    c)   The scheme must in general cooperate nicely with PPP.  In
  148.         particular, it should be as compatible to existing PPP standards
  149.         as possible.  On a link that (based on PPP negotiation) makes
  150.         use of the scheme, it should always be possible to fall back to
  151.         standard LCP without ambiguity.
  152.  
  153.    d)   The scheme must work well with existing chips and router
  154.         systems.  (See [1] for a more extensive discussion of
  155.         implementation models.)  For synchronous links this means using
  156.         HDLC framing; with much existing hardware, it is also hard to
  157.         switch off the HDLC per-frame CRC.  For asynchronous links,
  158.         there is much more freedom in design; on the other hand, a
  159.         design that treats them much different from synchronous links
  160.         would lose a number of desirable properties of PPP.
  161.  
  162.    e)   The scheme must be future proof.  In particular, the emergence
  163.         of V.80 based modems may significantly change the way PPP is
  164.         used with modems.
  165.  
  166.    The current draft does not address additional requirements that may
  167.    be relevant in conjunction with Frame Relay; however, there seems to
  168.    be little problem in applying the principles of this draft to ``PPP
  169.    in Frame Relay'' [3].
  170.  
  171.  
  172.  
  173. Bormann                                                         [Page 3]
  174.  
  175. INTERNET-DRAFT The Multi-Class Extension to Multi-Link PPP    March 1997
  176.  
  177. 3.  Using existing mechanisms
  178.  
  179.    Transmitting only part of a packet to allow higher-priority traffic
  180.    to intervene and resuming its transmission later on is a kind of
  181.    fragmentation.  The purpose of this section is to examine existing
  182.    mechanisms that are available for packet fragmentation and, by
  183.    relating them to the requirements listed above, to outline their
  184.    areas and limits of applicability.
  185.  
  186.    Fragmentation is existing functionality of the IP layer.  As
  187.    fragmentation and reassembly also are useful in a logical link
  188.    composed of multiple physical links, PPP Multilink (a standards track
  189.    protocol) already defines a fragmentation mechanism [2].
  190.    Unfortunately, neither approach, as is, fulfills all the requirements
  191.    listed above.
  192.  
  193.  
  194. 3.1.  Using IP fragmentation
  195.  
  196.    An IPv4 header already contains fields that allow a large IP datagram
  197.    to be fragmented into small parts.  A queues-of-fragments type sender
  198.    [1] might simply indicate a small MTU to its IP stack and thus cause
  199.    all larger datagrams to be fragmented down to a size that allows the
  200.    access delay goals to be met[1].  (Also, a PPP implementation can
  201.    negotiate down the MTU of its peer, causing the peer to fragment to a
  202.    small size, which might be considered a crude form of negotiating an
  203.    access delay goal with the peer system -- if that system supports
  204.    priority queueing at the fragment level.)
  205.  
  206.    Unfortunately, a full, 20 byte IP header is needed for each fragment
  207.    (larger when IP options are used).  This limits the minimum size of
  208.    fragment that can be used without too much overhead.  (Also, the size
  209.    of non-final fragments must be a multiple of 8 bytes, further
  210.    limiting the choice.)  With path MTU discovery, IP level
  211.    fragmentation causes TCP implementations to use small MSSs -- this
  212.    further increases the per-packet overhead to 40 bytes per fragment.
  213.  
  214.    In any case, fragmentation at the IP level persists on the path
  215.    further down to the datagram receiver, increasing the transmission
  216.    overheads and router load throughout the network.  With its high
  217.    overhead and the adverse effect on the Internet, IP level
  218.    fragmentation can only be a stop-gap mechanism when no other
  219.    fragmentation protocol is available in the peer implementation.
  220.  
  221.  
  222.  
  223. _________________________
  224.   [1] This assumes that the IP stack is able to priority-tag frag-
  225. ments,  or  that  the  PPP implementation is able to correlate the
  226. fragments to the initial one that carries the information relevant
  227. for  prioritizing,  or  that  only  initial fragments can be high-
  228. priority.
  229.  
  230.  
  231. Bormann                                                         [Page 4]
  232.  
  233. INTERNET-DRAFT The Multi-Class Extension to Multi-Link PPP    March 1997
  234.  
  235. 3.2.  Using PPP Multilink as-is
  236.  
  237.  
  238.    The PPP Multilink Protocol (MP) provides for sequence numbering and
  239.    begin/end bits, allowing packets to be split into fragments.
  240.  
  241.        Figure 1: Multilink Short Sequence Number Fragment Format [2]
  242.  
  243.  
  244.                 +---------------+---------------+
  245.    PPP Header:  | Address 0xff  | Control 0x03  |
  246.                 +---------------+---------------+
  247.                 | PID(H)  0x00  | PID(L)  0x3d  |
  248.                 +-+-+-+-+-------+---------------+
  249.    MP Header:   |B|E|0|0|    sequence number    |
  250.                 +-+-+-+-+-------+---------------+
  251.                 |    fragment data              |
  252.                 |               .               |
  253.                 |               .               |
  254.                 |               .               |
  255.                 +---------------+---------------+
  256.    PPP FCS:     |              FCS              |
  257.                 +---------------+---------------+
  258.  
  259.    (Note that the address, control, and most significant PID bytes are
  260.    often negotiated to be compressed away.)
  261.  
  262.    MP's monotonically increasing sequence numbering (contiguous numbers
  263.    are needed for all fragments of a packet) does not allow to suspend
  264.    sending a sequence of fragments of one packet for sending another
  265.    packet.  It is, however, possible to send intervening packets that
  266.    are not encapsulated in multilink headers; thus, MP supports two
  267.    levels of priority.
  268.  
  269.    The multilink-as-is approach can be built using existing standards;
  270.    multilink capability is now widely deployed and only the sending side
  271.    needs to be aware that they are using this for giving priority to
  272.    real-time packets.
  273.  
  274. 3.3.  Limitations of multilink as-is
  275.  
  276.    Multilink-as-is is not the complete solution for a number of reasons.
  277.    First, because of the single monotonically increasing serial number,
  278.    there is only one level of suspension:  ``Big'' packets that are sent
  279.    via multilink can be suspended by ``small'' packets sent outside of
  280.    multilink; the latter are not fragmentable.
  281.  
  282.    A problem not solved by this specification is that the multi-link
  283.    header is relatively large; as delay bounds become small (for queues-
  284.    of-fragments type implementations) the overhead may become
  285.    significant.
  286.  
  287.    The general approach of this document is to start from PPP Multilink
  288.  
  289. Bormann                                                         [Page 5]
  290.  
  291. INTERNET-DRAFT The Multi-Class Extension to Multi-Link PPP    March 1997
  292.  
  293.    and provide a number of extensions to add functionality and reduce
  294.    the overhead of using PPP Multilink for real-time transmission.
  295.  
  296. 4.  Extending PPP Multilink to multiple classes
  297.  
  298.    The obvious approach to providing more than one level of suspension
  299.    with PPP Multilink is to run Multilink multiple times over one link.
  300.    Multilink as it is defined provides no way for more than one instance
  301.    to be active.  Fortunately, a number of bits are unused in the
  302.    Multilink header: two bits in the short sequence number format (as
  303.    can be seen in Figure 1), six in the long sequence number format.
  304.  
  305.    This document defines (some of the) previously unused bits as a class
  306.    number:
  307.  
  308.        Figure 2: Short Sequence Number Fragment Format With Classes
  309.                 +---------------+---------------+
  310.    PPP Header:  | Address 0xff  | Control 0x03  |
  311.                 +---------------+---------------+
  312.                 | PID(H)  0x00  | PID(L)  0x3d  |
  313.                 +-+-+-+-+-------+---------------+
  314.    MP Header:   |B|E|cls|    sequence number    |
  315.                 +-+-+-+-+-------+---------------+
  316.                 |    fragment data              |
  317.                 |               .               |
  318.                 |               .               |
  319.                 |               .               |
  320.                 +---------------+---------------+
  321.    PPP FCS:     |              FCS              |
  322.                 +---------------+---------------+
  323.  
  324.    Each class runs a separate copy of the mechanism defined in [2], i.e.
  325.    uses a separate sequence number space and reassembly buffer.
  326.  
  327.    Similarly, for the long sequence number format:
  328.  
  329.  
  330.  
  331.  
  332.  
  333.  
  334.  
  335.  
  336.  
  337.  
  338.  
  339.  
  340.  
  341.  
  342.  
  343.  
  344.  
  345.  
  346.  
  347. Bormann                                                         [Page 6]
  348.  
  349. INTERNET-DRAFT The Multi-Class Extension to Multi-Link PPP    March 1997
  350.  
  351.  
  352.        Figure 3:  Long Sequence Number Fragment Format With Classes
  353.  
  354.                 +---------------+---------------+
  355.    PPP Header:  | Address 0xff  | Control 0x03  |
  356.                 +---------------+---------------+
  357.                 | PID(H)  0x00  | PID(L)  0x3d  |
  358.                 +-+-+-+-+-+-+-+-+---------------+
  359.    MP Header:   |B|E| class |0|0|sequence number|
  360.                 +-+-+-+-+-+-+-+-+---------------+
  361.                 |      sequence number (L)      |
  362.                 +---------------+---------------+
  363.                 |        fragment data          |
  364.                 |               .               |
  365.                 |               .               |
  366.                 |               .               |
  367.                 +---------------+---------------+
  368.    PPP FCS:     |              FCS              |
  369.                 +---------------+---------------+
  370.  
  371.  
  372.    Together with the ability to send packets without a multilink header,
  373.    this provides four levels of suspension with 12-bit headers (probably
  374.    sufficient for many practical applications) and sixteen levels with
  375.    24-bit headers (only four of the six free bits are used in this case
  376.    -- based on the rationale given above, sixteen levels should
  377.    generally be more than sufficient).
  378.  
  379. 5.  Prefix elision: Compressing common header bytes
  380.  
  381.    For some applications, all packets of a certain class will have a
  382.    common protocol identifier (or even more than one common prefix
  383.    byte).  In this case, the following optimization is possible: the
  384.    class number can be associated with a prefix of bytes that are
  385.    removed from each packet before transmission and that are implicitly
  386.    prepended to the reassembled packet after reception.
  387.  
  388.    Note that if only some of the packets to be transmitted at a certain
  389.    level of priority have the common prefix, it may still be possible to
  390.    utilize this method by allocating two class numbers and only
  391.    associating one of them with the prefix.  (This is the reason why
  392.    four of the unused bits in the long sequence number format have been
  393.    allocated to the class number instead of the three that generally
  394.    should suffice.)
  395.  
  396.    Prefix elision is not a replacement for header compression or data
  397.    compression: it allows to compress away prefixes that often are not
  398.    reachable by these other methods.
  399.  
  400.  
  401. 6.  Negotiable options
  402.  
  403.    The following options are already defined by MP:
  404.  
  405. Bormann                                                         [Page 7]
  406.  
  407. INTERNET-DRAFT The Multi-Class Extension to Multi-Link PPP    March 1997
  408.  
  409.    o    Multilink Maximum Received Reconstructed Unit
  410.  
  411.    o    Multilink Short Sequence Number Header Format
  412.  
  413.    o    Endpoint Discriminator
  414.  
  415.    This document defines two new options:
  416.  
  417.    o    Multilink Header Format
  418.  
  419.    o    Prefix Elision
  420.  
  421. 6.1.  Multilink header format option
  422.  
  423.  
  424.    A summary of the Multilink Header Format Option format is shown
  425.    below.  The fields are transmitted from left to right.
  426.  
  427.                                  Figure 4:
  428.     0                   1                   2
  429.     0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3
  430.    +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
  431.    |  Type = TBD   |  Length = 3   |     Code      |
  432.    +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
  433.  
  434.  
  435.    This option advises the peer that the implementation wishes to
  436.    receive fragments with a format given by the code number.  By
  437.    default, long sequence number multilink headers without classes are
  438.    used.  When this option is received, an implementation MUST either
  439.    transmit all subsequent multilink packets on all links of the bundle
  440.    with the multilink header format given or configure-NAK or configure-
  441.    Reject the option.
  442.  
  443.    The values defined for the use of this option are:
  444.  
  445.    -    Neither this option nor the Short Sequence Number Header Format
  446.         Option (type 18) [2] is present: long sequence number fragment
  447.         format
  448.  
  449.    -    This option present with code = 2: long sequence number fragment
  450.         format with classes
  451.  
  452.    -    Short Sequence Number Header Format Option (type 18) present:
  453.         short sequence number fragment format
  454.  
  455.    -    This option present with code = 6: short sequence number
  456.         fragment format with classes
  457.  
  458.    An implementation MUST NOT request a combination of both the Short
  459.    Sequence Number Header Format Option and this option.
  460.  
  461.  
  462.  
  463. Bormann                                                         [Page 8]
  464.  
  465. INTERNET-DRAFT The Multi-Class Extension to Multi-Link PPP    March 1997
  466.  
  467. 6.2.  Prefix elision option
  468.  
  469.  
  470.    This option advises the peer that the implementation wishes to send
  471.    only packets with a certain prefix in each of the given classes; the
  472.    prefix is not sent as part of the information in the fragment(s) of
  473.    this class.  By default, this common prefix is empty for all classes.
  474.    When this option is received, an implementation MUST either add the
  475.    prefix given for the class to all subsequently received multilink
  476.    packets of each of the given classes on all links of the bundle or
  477.    configure-NAK or configure-Reject the option.
  478.  
  479.    If none of the formats with classes has been negotiated, class 0 is
  480.    used to indicate a common prefix for all packets sent within
  481.    multilink fragments.
  482.  
  483.                                  Figure 5:
  484.     0                   1                   2                   3
  485.     0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
  486.    +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
  487.    |   Type = TBD  | Option Length |    Class      | Prefix Length |
  488.    +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
  489.    |   Prefix...
  490.    +-+-+-+-+-+-+-+-+
  491.  
  492.  
  493.    NOTA BENE: the sense of this option is an indication from the sender
  494.    to the receiver, UNLIKE most PPP options that indicate capabilities
  495.    of the receiver to the sender.
  496.  
  497. 7.  Acknowledgements
  498.  
  499.    David Oran suggested using PPP Multilink for real-time framing and
  500.    reminded the author of his earlier attempts of making Multilink more
  501.    useful for this purpose.  The participants in a lunch BOF at the
  502.    Montreal IETF gave useful input on the design tradeoffs in various
  503.    environments.  The members of the ISSLL subgroup on low bitrate links
  504.    (ISSLOW) have helped reducing the large set of options that initial
  505.    versions of this draft had.
  506.  
  507.  
  508. 8.  References
  509.  
  510.  
  511.    [1]  C. Bormann, Providing integrated services over low-bitrate
  512.         links, work in progress (draft-ietf-issll-isslow-01.txt),
  513.         February 1997.
  514.  
  515.    [2]  K. Sklower, B. Lloyd, G. McGregor, D. Carr, T. Coradetti, ``The
  516.         PPP Multilink Protocol (MP)'', RFC 1990, August 1996 (obsoletes
  517.         RFC1717).
  518.  
  519.    [3]  W. Simpson, ``PPP in Frame Relay'', RFC 1973, June 1996.
  520.  
  521. Bormann                                                         [Page 9]
  522.  
  523. INTERNET-DRAFT The Multi-Class Extension to Multi-Link PPP    March 1997
  524.  
  525.    [4]  R. Andrades, F. Burg, ``QOSPPP Framing Extensions to PPP'',
  526.         September 20, 1996, Work in Progress (draft-andrades-framing-
  527.         ext-00.txt).
  528.  
  529.    [5]  C. Bormann, ``PPP in a real-time oriented HDLC-like framing,
  530.         internet Draft draft-ietf-issll-isslow-rtf-00.txt, Work in
  531.         Progress, March 1997.
  532.  
  533.  
  534. 9.  Addresses
  535.  
  536.  
  537. 9.1.  Working Group
  538.  
  539.    The ISSLL working group can be contacted via the co-chairs, Eric
  540.    Crawley <esc@baynetworks.com> and John Wroclawski <jtw@lcs.mit.edu>,
  541.    or via its WG mailing list <issll@mercury.lcs.mit.edu>.
  542.  
  543. 9.2.  Author's address
  544.  
  545.  
  546.    Carsten Bormann
  547.    Universitaet Bremen FB3 TZI
  548.    Postfach 330440
  549.    D-28334 Bremen, GERMANY
  550.    cabo@tzi.uni-bremen.de
  551.    phone +49.421.218-7024
  552.    fax +49.421.218-7000
  553.  
  554.  
  555.  
  556.  
  557.  
  558.  
  559.  
  560.  
  561.  
  562.  
  563.  
  564.  
  565.  
  566.  
  567.  
  568.  
  569.  
  570.  
  571.  
  572.  
  573.  
  574.  
  575.  
  576.  
  577.  
  578.  
  579. Bormann                                                        [Page 10]
  580.  
  581.