home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Internet Info 1997 December / Internet_Info_CD-ROM_Walnut_Creek_December_1997.iso / drafts / draft_n_r / draft-nair-qos-based-routing-01.txt < prev    next >
Text File  |  1996-10-21  |  43KB  |  895 lines

  1.  
  2. INTERNET-DRAFT                                   Bala Rajagopalan
  3. draft-nair-qos-based-routing-01.txt                 Bellcore 
  4.                          Raj Nair
  5.                             Ascom Nexen
  6.                              October, 21, 1996
  7.                 
  8.  
  9.  
  10.      Quality of Sevice (QoS)-Based Routing in the Internet - Some Issues 
  11.  
  12.  
  13. Status of this Memo
  14.  
  15.    This document is an Internet Draft.  Internet Drafts are working
  16.    documents of the Internet Engineering Task Force (IETF), its Areas,
  17.    and its Working Groups. Note that other groups may also distribute
  18.    working documents as Internet Drafts.
  19.  
  20.    Internet Drafts are draft documents valid for a maximum of six
  21.    months. Internet Drafts may be updated, replaced, or obsoleted by
  22.    other documents at any time.  It is not appropriate to use Internet
  23.    Drafts as reference material or to cite them other than as a "working
  24.    draft" or "work in progress."
  25.  
  26.    To learn the current status of any Internet Draft, please check the
  27.    1id-abstracts.txt listing contained in the Internet Drafts Shadow
  28.    Directories on ds.internic.net, nic.nordu.net, ftp.nisc.sri.com or
  29.    munnari.oz.au.
  30.  
  31.    Distribution of this memo is unlimited.
  32.  
  33.    This Internet Draft expires April, 26, 1997.
  34.  
  35.  
  36. Abstract
  37.  
  38. There are many reasons to consider QoS-based routing as a component of 
  39. the integrated services Internet. But several questions arise with 
  40. regard to its development: what are the requirements on QoS-based 
  41. routing in the Internet? What sort of a routing architecture is 
  42. practical? What are the technical and policy issues that arise in 
  43. realizing a QoS-based Internet routing architecture? This draft is an 
  44. attempt to generate some discussion on these topics. To this end we 
  45. present some potential requirements on path computation, efficiency, 
  46. robustness and scalability, and describe some issues in realizing a 
  47. QoS-based routing architecture. Our conclusions are that QoS-based 
  48. routing is a challenging problem, and that it each of its major
  49. components, path computation, scalability and administrative
  50. control present their own set of issues that must be
  51. addressed in developing the routing architecture. 
  52.  
  53.  
  54.  
  55. 1.    INTRODUCTION 
  56.  
  57. The internet is being used increasingly for transport of multimedia 
  58. information such as image, voice and video. With the increase in 
  59. sophistication of desktop computers, and the availability of networked 
  60. multimedia applications, the Internet is likely to see more of this 
  61. type of traffic. This type of usage, however, is ad-hoc in that the IP 
  62. network architecture has been designed for "best-effort" delivery, 
  63. without any guarantees on throughput or delay. It has been recoginzed 
  64. that to adequately support realtime traffic flows with bandwidth and 
  65. delay requirements, the following features should be present in the 
  66. Internet [1]: 
  67.  
  68. -     new service classes beyond best-effort to provide certain guarantees 
  69. on throughput and delay to applications; 
  70.  
  71. -    a mechanism that allows applications to signal to the network their 
  72. quality of service (QoS) requirements; and 
  73.  
  74. -    traffic management mechanisms in hosts and routers
  75.  
  76. The IETF has been working on the first two issues: defining service 
  77. classes in addition to best-effort [1], and a resource reservation 
  78. protocol (RSVP) [2] that applications may use to reserve network 
  79. resources to get the level of service they desire. Traffic management 
  80. features are also being built by router vendors. An issue being 
  81. discussed now is whether a routing architecture that allows the dynamic 
  82. discovery of QoS-accommodating paths in the network for data flows, in 
  83. the presence of changes in network topology and loading, is required.
  84. Under such a routing architecture, paths for flows would be
  85. determined based on the network state (e.g., available bandwidth on 
  86. various links)
  87. as well as the QoS requirement of flows. In our opinion, such a 
  88. routing architecture is essential for efficient resource
  89. utilization and therefore for profitable network
  90. engineering. Without it, the mere definition of new 
  91. service classes and signalling protocols may only be of 
  92. limited use in supporting real-time applications in a commercial
  93. network.
  94.  
  95. Our fundamental assumption is that it is not economical to 
  96. overprovision link and/or switching 
  97. resources in all network environments in order to obviate the need 
  98. for QoS mechanisms. For instance, public carriers or
  99. corporate network administrators might
  100. desire to maximize the number of flows routed in their network
  101. at the least network cost. Under these circumstances, there is a 
  102. justifiable need for QoS-based routing.
  103. First, without it, protocols like RSVP may convey the QOS requirements 
  104. of a flow to routers, but there is no guarantee that an existing 
  105. acceptable path between the sender and the receiver(s) will be found 
  106. and utilized.  
  107.  
  108. Second, economic network engineering depends on the use of an 
  109. efficient routing scheme. For instance, with a traditional IP routing 
  110. algorithm, a single fixed path is selected for all traffic between a 
  111. pair of nodes. To assure the desired QoS, this path must be engineered 
  112. to accommodate the peak traffic demand between the node pair. This 
  113. results in the inefficient use of resources, since there may be other 
  114. underutilized paths between the same node pair. On the other hand, a 
  115. QoS-based routing algorithm would allow the network capacity to be 
  116. engineered efficiently by virtue of its ability to take into account 
  117. the current network state in making routing decisions. 
  118.  
  119. Finally, a network state-dependent routing scheme can compensate for 
  120. imprecise network engineering. Specifically, when the traffic load 
  121.  
  122.  
  123.  
  124. draft-nair-qos-based-routing-01.txt                        Page 2
  125.  
  126.  
  127. exceeds the engineered limits due to exceptional circumstances (e.g., 
  128. focussed overload after failures), a state-dependent routing scheme allows 
  129. more traffic to be routed and a more graceful performance degradation 
  130. as compared to a state-insensitive routing scheme [4]. Indeed, these 
  131. are the reasons for the development of state-dependent routing schemes 
  132. for long distance phone networks [5] and ATM networks [6]. QoS-based 
  133. routing must therefore be considered an essential component of the 
  134. overall scheme to provide QoS guarantees to applications in the 
  135. Internet. 
  136.  
  137. Given the need for QoS-based routing, the following questions arise: 
  138. what are the requirements on QoS-based routing in the Internet? What 
  139. sort of a routing architecture is practical? What are the technical and 
  140. policy issues that arise in realizing a QoS-based Internet routing 
  141. architecture? This draft is an attempt to generate some discussion on 
  142. these topics. To this end, in the next section, we point out some 
  143. potential requirements. In Sections 3 and 4, we describe some issues 
  144. that arise in developing a QoS-based routing architecture satisfing 
  145. these requirements. Related work is outlined in Section 5, and summary 
  146. and conclusions are presented in Section 6. 
  147.  
  148.  
  149. 2.    SOME REQUIREMENTS ON QOS-BASED IP ROUTING 
  150.  
  151. The foremost issue in developing a QoS-based IP routing architecture 
  152. is the definition of the requirements it must satisfy. Given the 
  153. organization of the internet, the nature of the traffic, the service 
  154. classes being considered, and the requirements of the users, there 
  155. could be many requirements on QoS-based routing. To make a start, we 
  156. may consider the following preliminary requirements: 
  157.  
  158. Metrics and Paths 
  159. -----------------
  160.  
  161. -    Support for multiple path metrics (bandwidth, delay, etc.). The 
  162. definition of the metrics would be based on the service classes defined 
  163. by the intserv WG. 
  164.  
  165. -    The ability to dynamically determine paths satisfying multiple 
  166. constraints (e.g., bandwidth and delay). 
  167.  
  168. -    QoS support for multiple types of flows, i.e., unicast and 
  169. many-to-many multicast. 
  170.  
  171. -    Support for heterogenous receiver QoS requirements.
  172.  
  173. Robustness 
  174. ----------
  175.  
  176. -    The ability to detect and respond to dynamically changing QoS 
  177. capabilities of a link. 
  178.  
  179. -    The ability to continue routing in the presence of multiple, 
  180. simultaneous failures in the network. 
  181.  
  182.  
  183.  
  184.  
  185. draft-nair-qos-based-routing-01.txt                        Page 3
  186.  
  187.  
  188. Efficiency 
  189. ----------
  190.  
  191. -    The ability to route short-lived data flows with minimal overhead. 
  192.  
  193. -    The ability to utilize network resources efficiently, through load 
  194. spreading, global admission control techniques and the like. 
  195.  
  196. -    Minimization of routing overheads. 
  197.  
  198. -    Support for resource control, i.e., the ability to limit resource 
  199. consumption by different classes of traffic. 
  200.  
  201. Scalability and Priority 
  202. ------------------------
  203.  
  204. -    The ability to scale to large numbers of nodes and links, and to a 
  205. large network diameter. 
  206.  
  207. -    Support for prioritizing flows, and to permit high priority flows to 
  208. be established with precedence over lower priority flows. 
  209.  
  210. Interdomain and Policy 
  211. ----------------------
  212.  
  213. An area that requires some thought is the requirements for 
  214. interdomain routing. Specifically, the nature of the information that 
  215. is exchaged at the border of two administrative domains must be 
  216. determined. If the 
  217. information exchange is compact, the interdomain routing scheme can be 
  218. relatively simple (Section 3.8). In any case, the ability to introduce 
  219. policy constraints on routing information flow at the boundary between 
  220. two organizations is required. 
  221.  
  222. Other 
  223. -----
  224.  
  225. Other requirements, such as mobility support, may be defined. 
  226.  
  227. These are complex and somewhat conflicting requirements, and a number of challenging problems 
  228. must be solved to satisfy them. The resulting routing scheme can be 
  229. expected to be more sophisticated than the existing internet routing 
  230. schemes. It is, however, encouraging that recent Internet routing work, 
  231. such as Nimrod and Source Demand Routing, has addressed scalability, 
  232. on-demand route computation and source routing issues. The ATM Forum 
  233. PNNI work illustrates an effort to develop a scalable, QoS-based 
  234. routing architecture. To what extent the ideas developed under these 
  235. efforts may be incorported in the QoS-based routing architecture for 
  236. the Internet is a subject that requires much discussion. This draft 
  237. does not address that question. Instead, our objective is to describe 
  238. some of the problems that arise in realizing a QoS-based Internet 
  239. routing architecture. 
  240.  
  241. To this end, we first consider path computation in a flat
  242. network, without scalability or policy requirements. As a reference routing architecture for this 
  243. case, link state routing with distributed intelligence seems to be a 
  244. reasonable choice. To build QoS-based routing features in this 
  245. architecture, algorithm design issues, for instance, computing "low 
  246. cost" multicast distribution trees for flows, or efficient broadcast 
  247.  
  248.  
  249. draft-nair-qos-based-routing-01.txt                Page 4
  250.  
  251.  
  252. schemes for propagating QoS information must be addressed. Other 
  253. problems that involve policy and scalability issues in the global, 
  254. multiply administered internet may be addressed next, once the 
  255. requirements are determined. This approach allows us to focus on two 
  256. distinct classes of problems that arise in realizing the QoS-based 
  257. routing architecture for the Internet. 
  258.  
  259. Following the requirements above, the link state 
  260. architecture should allow a router determine a feasible path for a 
  261. given unicast flow on demand. For multicast flows with dynamic receiver 
  262. sets, QoS-based routing should allow the dynamic, incremental 
  263. computation of QoS-accommodating multicast trees, allowing receiver
  264. heterogeneity. Under link state 
  265. routing, each router in a network monitors the QoS 
  266. available on each directly attached link, and its own resource 
  267. availability. This information is broadcast to other routers in the 
  268. network on a periodic and/or event-driven basis. Based on the view of the 
  269. network state, a router may determine the path for a given flow. Source 
  270. routing, along with local and global admission control techniques may 
  271. be used to accept or reject a flow along the path. Also, routers may 
  272. recognize the priorities of flows (perhaps signalled via RSVP) and 
  273. implement a mechanism to ensure a high rate of success for guaranteeing 
  274. QoS for high priority flows. 
  275.  
  276. The issues that arise in basic QoS-based routing may be broadly 
  277. classified as follows: 
  278.  
  279. -    How do routers determine the QoS capability of each outgoing link 
  280. and reserve link resources? Note that some of these links may be 
  281. virtual, over ATM networks. 
  282.  
  283. -    How do routers propagate the QoS knowledge to remote routers to aid 
  284. in path selection? 
  285.  
  286. -    How are QoS-accommodating paths computed by routers for unicast 
  287. flows? 
  288.  
  289. -    How are QoS-accommodating paths computed for multicast flows with different reservation styles and receiver heterogeneity? 
  290.  
  291. -    What is the mechanism for prioritizing flows? 
  292.  
  293. -    What is the mechanism for resource control? 
  294.  
  295. -    What are the performance impacts of dealing with many short-lived 
  296. flows (e.g., web page accesses)? 
  297.  
  298. -    How does the RSVP signalling model fit with the QoS-based routing architecture? 
  299.  
  300. Each of these points is discussed in the next section. Scalability and 
  301. administrative control issues are described briefly in Section 4. 
  302.  
  303.  
  304. 3.  BASIC ROUTING ISSUES 
  305.  
  306. 3.1  QoS Determination and Resource Reservation 
  307.  
  308. The integrated services working group of the IETF has concentrated on 
  309. local resource management within routers. In particular, the notion of 
  310. "admission control" has been introduced that allows a router to make a 
  311.  
  312.  
  313. draft-nair-qos-based-routing-01.txt                     Page 5
  314.  
  315.  
  316.  
  317. decision as to whether a given flow may be accepted or rejected based 
  318. on local resource availability. The admission control process 
  319. requires knowledge of the QoS available on all links attached to a 
  320. router. It is still an open issue, however, as to how the QoS values 
  321. are computed for various link types such as multiple access links. The 
  322. resolution of this issue is in the domain of the ISSLL working group. 
  323.  
  324. The intricacies of this problem may be appreciated when the case of a 
  325. router connected to a large non-broadcast multiple access network, such 
  326. as ATM, is considered. In this case, a router may have multiple next 
  327. hop choices, with corresponding paths across the ATM network, each with 
  328. possibly different QoS availability. The issues are, how does a router 
  329. determine what the routing options are across an ATM network, what the 
  330. QoS availability over each available route is, and what QoS value to 
  331. advertise for the ATM link when QoS-based routing is implemented in the 
  332. wider internet. To put this problem in perspective, the currently 
  333. defined standards for IP routing over ATM, such as NHRP, allow the 
  334. selection of a single exit point in the ATM network for an IP datagram. 
  335. With QoS requirements on IP flows, there may not be an ATM path which 
  336. accommodates the given QoS from the entry router to the exit router 
  337. returned by NHRP. An approach like IPNNI [7] would be helpful here, 
  338. although with some complexity. A related problem is the reservation 
  339. of resources over a broadcast network, say an ethernet. Because access 
  340. to the network is distributed, some coordination is required among 
  341. routers and hosts in reserving resources. 
  342.  
  343. 3.2    Knowledge Propagation 
  344.  
  345. The link state architecture requires routers to broadcast the local 
  346. resource status (such as available link capacity, delay measurements, 
  347. etc.) and the local topology information to all other routers in the 
  348. network. The broadcast of status information from one router to others might 
  349. be an expensive process in terms of communication and processing 
  350. overheads. So far, intradomain routing has been based on fixed link 
  351. metrics (i.e., minimum hop, or shortest-path based on static metrics). 
  352. In this environment, efficiency of information propagation has not been 
  353. an issue. Thus, routing algorithms such as OSPF have used flooding with 
  354. periodic refreshing as a means to propagate updates. For efficient 
  355. QoS-based routing, however,
  356. flooding-type mechanisms are not suitable for information broadcasting. 
  357. Alternative techniques to reduce broadcast overheads, such as 
  358. tree-based forwarding, have been proposed [8]. These have to be 
  359. implemented. In addition, link status information such as utilization 
  360. can be volatile, i.e., their values can change significantly in a short 
  361. period of time with the admittance of real-time flows. How should such 
  362. information be quantized in order to reduce the update generation rate 
  363. is an issue to be resolved. Clearly, the less accurate the information, 
  364. the less likely that a feasible path will be found by a source router. 
  365. On the other hand, the overheads of keeping very accurate information 
  366. at each router may be high. Aggregation of status information reduces 
  367. the frequency of update generation, but how it affects routing 
  368. algorithm performance has to be determined. 
  369.  
  370. 3.3    Unicast Path Computation Algorithms 
  371.  
  372. Given the availability of network state information at each router, 
  373. how should paths be computed for unicast flows? The computation of a 
  374. "feasible" path for a given flow is not difficult: a router just 
  375.  
  376.  
  377. draft-nair-qos-based-routing-01.txt                    Page 6
  378.  
  379.  
  380. eliminates all infeasible links and nodes, i.e., those that cannot 
  381. support the requested QoS, from its local representation of the network 
  382. topology and finds an end-to-end path in the remaining topology. But as 
  383. studies in circuit-switched networks have shown that even in limited 
  384. topologies this sort of "feasible-path routing" is unacceptable, i.e., 
  385. it results in the admission of lesser number of flows into the network 
  386. than what is possible otherwise. Moreover, as noted above, aggregation 
  387. of link status information is usually lossy. This aggrevates the 
  388. problem of flow blocking. 
  389.  
  390. Feasible-path routing corresponds to the notion of local admission 
  391. control defined by the IETF's integrated services group; a flow is 
  392. routed over a path as long as it passes the admission control criterion 
  393. of each router along the path. While this type of admission control 
  394. is required to control the subscription of resources at a router, it 
  395. does not take into account any global view of resource consumption by 
  396. individual flows. Efficiency in routing is achieved only when an 
  397. additional layer of admission control is implemented. This higher level 
  398. admission control procedure would consider the resource requirement 
  399. of each flow in relation to the available resources along a path in 
  400. order to determine whether it is profitable overall to admit the flow 
  401. [9]. Thus, an individual flow may be rejected even if there are 
  402. feasible paths to route it, if it is found that admitting the flow 
  403. would result in an overall decline in the number of flows carried by 
  404. the network. The formulation of this higher level admission control, 
  405. with fairness to all flows desiring entry to the network, is an area 
  406. that requires work. 
  407.  
  408. Path computation with multiple QoS constraints on a flow is a 
  409. difficult problem. Indeed, for some combinations of QoS constraints, 
  410. the problem is NP-complete. However, algorithms have been proposed for 
  411. computing paths with combined bandwidth and delay constraints [10], and 
  412. such algorithms can be incorporated in the routing scheme. 
  413.  
  414. 3.4    Flow Prioritization 
  415.  
  416. If there are critical flows that must be accorded higher priority than other 
  417. types of flows, a mechanism must be implemented in the network to 
  418. recognize flow priorities. It is assumed that RSVP can be used to 
  419. signal the priority of a flow. There are then two aspects to 
  420. prioritizing flows. First, there must be a policy to decide how 
  421. different users are allowed to set priorities for flows they 
  422. originate. The network must be able to verify that a given flow is 
  423. allowed to claim a priority level signalled for it. Second, the routing 
  424. scheme must ensure that a path with the requested QoS will be found for 
  425. a flow with a probability that increases with the priority of the flow. 
  426. In other words, for a given network load, a high priority flow should 
  427. be more likely to get a certain QoS from the network than a lower 
  428. priority flow requesting the same QoS. 
  429.  
  430. The policy and verification aspects are outside the scope of this 
  431. draft. The routing mechanism for implementing flow priorities may be 
  432. based on preemption combined with dynamic rerouting of lower priority 
  433. flows. For example, assuming a small, fixed number of priority levels 
  434. (e.g., 16), each router may broadcast the resources locally allocated 
  435. to flows of each priority level. A router, when computing a path, 
  436. first attempts to find a path that has the necessary unallocated 
  437.  
  438.  
  439. draft-nair-qos-based-routing-01.txt                      Page 7
  440.  
  441.  
  442. resources to support the QoS requirements of the flow. If such a path 
  443. cannot be found, the router attempts to finds a path where adequate 
  444. resources may be freed by displacing lower priority flows. In the end, 
  445. a high priority flow may be routed by preempting resources allocated to 
  446. lower priority flows. Routers may attempt to dynamically reroute 
  447. preempted flows using the same procedure. 
  448.  
  449. Routing procedures for flow prioritization may thus be complex. 
  450. Identification and evaluation of different procedures are areas that 
  451. require investigation. 
  452.  
  453. 3.5    Resource Control 
  454.  
  455. Given the existence of multiple service classes, it is necessary to 
  456. engineer a network to carry the forecasted traffic demands of each 
  457. class. To do this, a network administrator may logically partition 
  458. router and link resources among various service classes. Strict 
  459. partitioning, however, may result in inefficient use of network 
  460. resources, since there may be periods of time during which there may be 
  461. excessive traffic load under one class and light load under another. It 
  462. is thus desirable to allow unused resources to be allotted traffic that 
  463. needs them. This type of sharing, however, must be done in a controlled 
  464. fashion in order to prevent traffic under some service class from 
  465. taking up more resources than what was engineered for it for prolonged 
  466. periods of time. This is the job of the routing scheme. This may be 
  467. done via preemption, in a manner not contradictory to the priority 
  468. assignment of active traffic flows. Non-preemptive dynamic resource 
  469. sharing techniques are possible, as illustrated by the Real Time 
  470. Network Routing architecture of the AT&T phone network [5]. The 
  471. design of an appropriate resource sharing scheme, and its incorporation 
  472. into the QoS-based routing scheme is a challenging issue. In 
  473. particular, the overheads incurred by the routing scheme in the 
  474. implementation of logical resource partitioning and dynamic sharing is 
  475. an issue that must be studied carefully. 
  476.  
  477. 3.6    Short-Lived Flows 
  478.  
  479. The QoS-based routing model incurs certain overheads during flow 
  480. establishment, for example, computing a source route. Whether this 
  481. overhead is disproportionate compared to the length of the sessions is 
  482. an issue. In general, this problem arises in virtual circuit networks 
  483. such as ATM, where many short-lived SVCs result in increased call 
  484. set-up overheads.Even without QoS-based routing, RSVP flow 
  485. establishment overheads are incurred for each session. An area worth 
  486. investigation is the minimization of routing-related overheads during 
  487. flow establishment. One approach that is useful is cacheing recently 
  488. computed routes, so that new sessions to the same destination do not 
  489. cause recomputation of paths. The issue of efficient flow set-up in 
  490. general needs investigation. 
  491.  
  492. 3.7    QoS-Based Routing for Multicast Flows 
  493.  
  494. Computing QoS accommodating paths for multicast flows is a tricky 
  495. problem, especially if the notion of higher level admission control 
  496. (Section 3.3) is included. The dynamism in the receiver set allowed by 
  497. IP multicast, and receiver heterogeneity add to the problem. Assuming
  498. an enhanced MOSPF-type scheme [20], the difficulty
  499. is essentially one of scalability. To accommodate QoS, multicast
  500. path computation at a router must have knowledge of not only 
  501. the id of subnets where group members are present, but also
  502. the identity of branches in the existing tree. In other words,
  503. under this version of MOSPF, routers must keep source-specific information
  504. for each group. Changes in group membership or receiver reservations
  505. would result in information about multiple trees being broadcast to
  506. all routers in the network. 
  507.  
  508. Of course, once the necessary information is available, there are 
  509. many heuristic algorithms for incrementally modifying existing trees
  510. [23-25]. Computing optimal shared trees based on the shared reservation 
  511. style [2], however, may require new algorithms. 
  512.  
  513. 3.8    RSVP and QoS-Based Routing 
  514.  
  515. The QoS-based routing model has some implications on signalling. 
  516. Specifically, under this routing model, the QoS desired for a flow must 
  517. be specified before a path can be computed. In contrast, under RSVP, a 
  518. path must exist before a reservation can be made. RSVP utilizes PATH 
  519. messages to notify the receivers of a session and the traffic 
  520. characteristics at the sender, and to establish the flow's path state 
  521. in the routers. With QoS-based routing, the latter function is not 
  522. useful since the flow path is computed based only on the receivers' 
  523. reservation. Using the current RSVP model with QoS-based routing, a 
  524. unicast flow establishment would require a PATH message sent from the 
  525. source to the receiver along a best effort path, say, and a RESERVE 
  526. message sent over a QoS-accommodating flow computed by a router close 
  527. to the receiver. 
  528.  
  529. With regard to multicast flows, the path for a multicast flow under 
  530. the current RSVP specifications is the IP multicast tree of the source. 
  531. To receive a flow, a host must first join the multicast group, and 
  532. hence the multicast tree for a given source. To request a certain QoS 
  533. for the flow, each receiver must send a RESERVE message towards the 
  534. root of the tree, reserving link and router resources enroute. The 
  535. set of receivers of a multicast flow is dynamic, and transparent to 
  536. the source of the flow. The multicast routing protocol dynamically 
  537. maintains a tree per source, in which the leaves are the current set of 
  538. receivers. This protocol establishes the multicast tree independently 
  539. of the QoS requirements of flows subsequently routed over it. Thus, 
  540. there is no guarantee that a leaf would be successful in reserving 
  541. the resources to get the desired QoS. 
  542.  
  543. One solution for QoS-based multicast routing is to separate RSVP PATH 
  544. message flow and actual data flow from a source. Thus, a basic 
  545. multicast routing protocol would provide a tree for delivering PATH 
  546. messages to any receiver joining the group. The reception of a RESERVE 
  547. message by a router would trigger an algorithm to (incrementally) 
  548. compute a new tree for the data flow, i.e., addition/deletion of 
  549. branches to the existing tree, as discussed in the previous section. 
  550.  
  551. Another approach could be to determine the multicast tree based on
  552. the information in the PATH message itself [29]. This means that the tree
  553. is created based on the known receiver set and assuming maximum amount
  554. of resource reservation by every receiver. Heterogeneity, however,
  555. can be accommodated by adjusting the reservation based on the
  556. information in RESV messages. Dynamism in receiver set may be
  557. handled by (incrementally) recomputing the trees whenever refresh
  558. PATH messages are generated by the source. The drawback of this
  559. approach is that because multicast trees are computed based on
  560. maximum reservation levels, it is possible that feasible trees
  561. may not be computed if actual receiver reservations are actually
  562. lower.
  563.  
  564. In summary, the RSVP signalling model and the QoS-based routing
  565. model do not fit together nicely. How to resolve the incomptabilities,
  566. and the cost of the resulting solutions are issues that need
  567. careful investigation.
  568.  
  569.  
  570. 4.    SCALING AND ADMINISTRATIVE CONTROL 
  571.  
  572. 4.1    Scaling by Hierarchical Aggregation 
  573.  
  574. A scalable routing architecture is needed to handle the 
  575. thousands of nodes that may exist within a network. Scaling by hierarchical 
  576. aggregation is a common techique, as exemplified by the ATM Forum PNNI 
  577. routing scheme [12]. Hierarchical aggregation, however, introduces 
  578. problems with regard to the accuracy of the aggregated state 
  579. information [13]. Also, the aggregation of paths under multiple 
  580. constraints is difficult. One of the difficulties is the risk of 
  581.  
  582.  
  583. draft-nair-qos-based-routing-01.txt                       Page 9
  584.  
  585.  
  586. accepting a flow based on inaccurate information, but not being able to 
  587. support the QoS requirements of flow because the capabilities of the 
  588. actual paths that are aggregated are not known at the source. Much 
  589. study is needed to understand and characterize the performance impacts 
  590. of aggregating path metric information. Meanwhile, a way to compensate 
  591. for inaccuracies is to use crankback, i.e., dynamic search for 
  592. alternate paths as a flow is being routed. Crankback, however, 
  593. increases the time to set up a flow, and also results in overall poor 
  594. utilization of resources. Thus, crankback is the mechanism of last 
  595. resort, and the minimization of its use is a problem that requires 
  596. work. 
  597.  
  598. 4.2    Interdomain Routing 
  599.  
  600. Many issues arise when multiple Administrative Systems (ASs), each
  601. implementing QoS-based 
  602. routing within their networks, interface. Efficient end-to-end 
  603. QoS-based routing across multiple ASs require some exchange of 
  604. information between them, but individual ASs may not wish to reveal 
  605. too much information. For instance, it may not be possible or 
  606. desirable for an AS to reveal internal topology information to others. 
  607. Also, even if there are no policy constraints on exporting information, 
  608. overall scalability of the internet routing architecture may not allow 
  609. this. Thus, the issue is what (minimal) information should be exchanged 
  610. between different autonomous systems to implement end-to-end QoS-based 
  611. routing? 
  612.  
  613. It is desirable that information flow across ASs should be much more 
  614. abridged than what flows inside an AS. For example, fairly stable QoS 
  615. information applicable to the entire network may be advertised. This 
  616. means that an AS should engineer its network carefully to ensure that 
  617. it can meet the QoS advertised. Compact information flow may allow the 
  618. implementation of QoS-based routing through enhanced versions of 
  619. traditional interdomain protocols such as BGP. 
  620.  
  621. The precise definition of an interdomain routing architecture, which 
  622. accommodates QoS and also aids in establishing routing policies is an 
  623. area that requires work. The scalability of any proposed architecture 
  624. must be evaluated, along with its efficiency in large configurations. 
  625. Finally, interdomain QoS-based multicast routing is a challenging 
  626. problem. 
  627.  
  628.  
  629. 5.    PROGNOSIS AND RELATED WORK 
  630.  
  631. QoS-based routing in the Internet is indeed a daunting problem. To 
  632. make some progress in this area, it may be necessary to make a modest 
  633. beginning and concentrate on a intradomain routing protocol, say, a 
  634. QoS-enhanced version of OSPF. Scalability via hierarhical aggregation, 
  635. presents a separate set of problems. Similarly, 
  636. administrative control is also an orthogonal issue. At the intradomain 
  637. level, the development of a routing scheme incorporating some of the 
  638. basic requirements outlined in this draft is achievable. Indeed, 
  639. commercially available proprietary routing solutions for frame relay 
  640. and ATM networks from vendors such as Cascade, FORE, Stratacom and 
  641. others demonstrate many of the desirable QoS-based routing features. 
  642. The following is a summary of related work in various areas, and the 
  643. missing pieces. 
  644.  
  645.  
  646. draft-nair-qos-based-routing-01.txt                     Page 10
  647.  
  648.  
  649. 5.1    IP Routing Schemes 
  650.  
  651. Among intradomain routing schemes, OSPF [3] is a link state routing 
  652. protocol, utilizing distributed state information. Under OSPF, 
  653. network topology, as well as an administratively configurable metric 
  654. for each link are propagated throughout the network using flooding. 
  655. Each node has its own view of the network state, and a shortest path 
  656. algorithm is used to compute the destination-based routing table. OSPF 
  657. allows the definition of a two-level routing hierarchy, and hence a 
  658. good degree of scaling. As compared to OSPF, a link state QoS-based 
  659. routing requires the dynamic distribution of link and nodal state 
  660. information, as the corresponding resource availability changes. For 
  661. scaling purposes, this would require a tree-based update propagation 
  662. scheme instead of flooding. Also, instead of destination-based 
  663. routing tables, a QoS-based routing scheme would use on-demand path 
  664. computation during flow establishment. This places an overhead on 
  665. routers, and efficient schemes have to be designed to minimize this 
  666. overhead. Finally, source routing, at least for flow establishment, has 
  667. to be used instead of destination oriented next hop forwarding. Some 
  668. state information will also be maintained by routers about each flow. 
  669.  
  670. Interdomain routing protocols, such as BGP [14], primarily focus on 
  671. the control of information flow between administratively distinct 
  672. routing domains. As such, they do not maintain fine state information 
  673. about routing domains. Rather, topological reachability of domains, 
  674. subject to user-defined preferences for alternate route selection, is 
  675. the goal. Thus, BGP uses an enhanced distance-vector routing scheme 
  676. (called, path vector [15]), with destination-oriented hop by hop 
  677. forwarding. QoS-enhanced BGP requires work. 
  678.  
  679. Among the newer approaches, Source Demand Routing (SDR) [16] allows 
  680. on-demand path computation by routers and the implementation of 
  681. strict and loose source source routing. The SDR approach can be used 
  682. for both intradomain and interdomain source routing. The Nimrod 
  683. architecture [17] has a number of concepts built in to handle 
  684. scalability and specialized path computation. These are applicable in 
  685. addressing the relevant aspects of QoS-based routing. 
  686.  
  687. 5.2    Internet Multicasting 
  688.  
  689. IP multicasting is mainly concerned with establishing multicast trees 
  690. subject to changes in topology and receiver group membership [18]. IP 
  691. multicast schemes utilize the underlying unicast routing protocols to 
  692. establish the multicast trees. For example, the Multicast OSPF (MOSPF) 
  693. [19] works with OSPF. As with QoS-enhanced OSPF, it is possible to 
  694. consider a QoS-accommodating MOSPF. 
  695.  
  696. More recent multicast routing protocols, such as Core-Based Trees 
  697. [20], and Protocol-Independent Multicast [21] do not rely on specific 
  698. types of unicast routing schemes. They may need extensive revision to 
  699. accommodate QoS. The MOSPF mode of operation is in fact more suitable 
  700. for QoS-based multicast routing, since it is possible to tap the 
  701. networkwide QoS status from the underlying link state routing scheme. 
  702. Given the availability of QoS information, many heuristic algorithms to 
  703. compute multicast trees are known [22-24]. The incorporation of flow 
  704. aggregation and the sharing of multicast trees by several sources, as 
  705. defined under RSVP, into these algorithms requires work. 
  706.  
  707.  
  708. draft-nair-qos-based-routing-01.txt                       Page 11
  709.  
  710.  
  711. 5.3    ATM Routing 
  712.  
  713. The ATM PNNI routing scheme [12] is a hierarchical link state 
  714. QoS-based routing scheme. It incorporates mechanisms for QoS-based path 
  715. computation and scalability, but it does not address some of the 
  716. problems outlined earlier: routing of many-to-many multicast flows of 
  717. the type required by RSVP; interdomain policy routing issues; QoS 
  718. measurements on shared links; global admission control; flow 
  719. prioritization; efficient broadcast of state information; and 
  720. performance issues. 
  721.  
  722. There has recently been some work on SVC routing schemes for ATM 
  723. networks. This research illustrates various approaches to achieving 
  724. higher throughput from routing schemes, as compared to single path 
  725. shortest-path routing. The flows considered usually have a single QoS 
  726. requirement, i.e., bandwidth. The following is a sampling of work in 
  727. this area. In [25], Sibal and Desimone describe a routing strategy for 
  728. multihop networks, modelled after the reservation-based alternate 
  729. routing strategy for two-hop phone networks [26]. This generalized 
  730. algorithm is based on distance vector routing, and allows only a 
  731. single bandwidth value for all flows. It also assumes that the input 
  732. traffic distribution is known apriori. In [27], Bahk and Zarki analyze 
  733. the throughput performance of several heuristic algorithms for 
  734. QoS-based routing. These algorithms are simple variants of 
  735. shortest-path, and some of them require coarse link state information. 
  736. Mitra, Morrison and Ramakrishnan present a scheme for optimal network 
  737. design [6] that assumes centralized routing and a small number of 
  738. bandwidth classes. Also, input traffic is assumed to have certain 
  739. characteristics. Gawlick, Kalmanek and Ramakrishnan present an 
  740. on-demand routing scheme for PVCs [28] and show its superiority over 
  741. shortestpath. This algorithm too is centralized. Finally, Ahmadi, Chen 
  742. and Guerin present a routing and admission control heuristic algorithm, 
  743. again with better performance than shortest-path [9]. 
  744.  
  745. The contributions of prior research in this area is of significant 
  746. importance, lending some insights into unicast path computation 
  747. procedures. The practical aspects of routing, such as overhead 
  748. reduction, and efficiency under a mix of traffic and information 
  749. aggregation, scalability, etc., have not been investigated thoroughly. 
  750. The definition of a practical IP QoS-based routing architecture, and 
  751. its implementation, requires new work as outlined in this draft. 
  752.  
  753.  
  754. 6.    SUMMARY AND CONCLUSIONS 
  755.  
  756. There are many reasons to consider QoS-based routing as an essential 
  757. component of the overall integrated services Internet infrastructure. 
  758. The first step in developing a QoS-based routing architecture is the 
  759. specification of its requirements. In particular, the requirements for 
  760. interdomain routing need much discussion. In this draft, we presented 
  761. some potential requirements on path computation, efficiency, robustness 
  762. and scalability, and described some issues in realizing a QoS-based 
  763. routing architecture. Our conclusions are that QoS-based 
  764. routing is a challenging problem, and that it each of its major
  765. components, path computation, scalability and administrative
  766. control present their own set of issues that must be
  767. addressed in developing a routing architecture.
  768.  
  769.  
  770.  
  771. draft-nair-qos-based-routing-01.txt                       Page 12
  772.  
  773.  
  774. REFERENCES 
  775.  
  776.  
  777. 1.    R. Braden, D. Clark, and S. Shenker, "Integrated Services in the 
  778. Internet Architecture: An Overview," RFC 1633, July, 1994. 
  779.  
  780. 2.    L. Zhang, S. E. Deering, D. Estrin, S. Shenker and D. Zappala, 
  781. "RSVP: A New Resource Reservation Protocol," Technical Report 95-607, 
  782. ISI, University of Southern California, 1995. 
  783.  
  784. 3.    J. Moy, "OSPF Version 2," RFC 1583, March, 1994. 
  785.  
  786. 4.    J. M. Akinpelu, "The Overload Performance of Engineered Networks 
  787. with Non-Hierarchical Routing," AT&T Technical Journal, Vol. 63, pp. 
  788. 1261-1281, 1984. 
  789.  
  790. 5.    G. R. Ash, J. S. Chen, A. E. Frey and B. D. Huang, "RealTime 
  791. Network Routing in a Dynamic Class-of-Service Network," Proceedings of 
  792. ITC 13, 1992. 
  793.  
  794. 6.    D. Mitra, J. Morrison, and K. G. Ramakrishnan, "ATM Network Design 
  795. and Optimization: A Multirate Loss Network Framework," Proceedings of 
  796. IEEE INFOCOM `96, 1996. 
  797.  
  798. 7.    R.Callon et al, "Issues and Approaches for Integrated PNNI" ATM 
  799. Forum 96-0355, April 1996. 
  800.  
  801. 8.    B. Rajagopalan, "Efficient Link State Routing," Unpublished Report, 
  802. available from the author, braja@bellcore.com. 
  803.  
  804. 9.    H. Ahmadi, J. Chen, and R. Guerin, "Dynamic Routing and Call 
  805. Control in High-Speed Integrated Networks," Proceedings of ITC-13, pp. 
  806. 397-403, 1992. 
  807.  
  808. 10.    Z. Wang and J. Crowcroft, "QoS Routing for Supporting Resource 
  809. Reservation," available at http:// 
  810. boom.cs.ucl.ac.uk/staff/zwang/pub.htm. 
  811.  
  812. 11.    R. G. Moskowitz, "Why in the World is the Web So Slow?," Network 
  813. Computing, March, 15, 1996. 
  814.  
  815. 12.    ATM Forum PNNI subworking group, "Private Network - Network 
  816. Specification Interface v1.0 (PNNI 1.0)", afpnni-0055.00, March 1996. 
  817.  
  818. 13.     W. C. Lee, "Topology Aggregation for Hierarchical Routing in ATM
  819. Networks," ACM SIGCOMM Computer Communication Review, 1995.    
  820.  
  821. 14.    Y. Rekhter and T. Li, "A Border Gateway Protocol 4 (BGP-4)," 
  822. Internet Draft, September, 1992. 
  823.  
  824. 15.    B. Rajagopalan and M. Faiman, "A Responsive Distributed Algorithm 
  825. for Shortest-Path Routing within Autonomous Systems," Journal of 
  826. Internetworking Research, pp. 51-69, March, 1991. 
  827.  
  828. 16.    D. Estrin, T. Li, Y. Rekhter, K. Varadhan, and D. Zappala, "Source 
  829. Demand Routing: Packet Format and Forwarding Specification (Version 
  830. 1)," RFC 1940, May, 1996. 
  831.  
  832.  
  833. draft-nair-qos-based-routing-01.txt                     Page 13
  834.  
  835.  
  836.  
  837. 17.    I. Castineyra, J. N. Chiappa, and M. Steenstrup, "The Nimrod 
  838. Routing Architecture," Internet Draft, 
  839. draft-ietfnimrod-routing-arch-01.txt, Febrauary, 1996. 
  840.  
  841. 18.    S. E. Deering and D. P. Cheriton, "Multicast Routing in Datagram 
  842. Internetworks and Extended LANs," ACM Transactions on Computer Systems, 
  843. pp. 85-110, May, 1990. 
  844.  
  845. 19.    J. Moy, "MOSPF: Analysis and Experience," RFC 1585, March, 1994. 
  846.  
  847. 20.    A. Ballardie, J. Crowcroft and P. Francis, "Core-Based Trees: A 
  848. Scalable Multicast Routing Protocol," Proceedings of SIGCOMM `94. 
  849.  
  850. 21.    S. E. Deering, D. Estrin, D. Farinnacci, V. Jacobson, C-G. Liu, 
  851. and L. Wei, "An Architecture for Wide-Area Multicast Routing," 
  852. Technical Report, 94-565, ISI, University of Southern California, 1994. 
  853.  
  854. 22.    B. M. Waxman, "Routing of Multipoint Connections," IEEE JSAC, pp. 
  855. 1617-1622, December, 1988. 
  856.  
  857. 23.    X. Jiang, "Path Finding Algorithms for Broadband Multicast," in 
  858. High Speed Networking, III, Elsevier Science Publishers, 1991. 
  859.  
  860. 24.    C-H. Chow, "On Multicast Path Finding Algorithms," Proceedings of 
  861. the IEEE INFOCOM `91, pp. 1274-1283, 1991. 
  862.  
  863. 25.    S. Sibal and A. Desimone, "Controlling Alternate Routing in 
  864. General-Mesh Packet Flow Networks," Proceedings of ACM SIGCOMM `95, 
  865. 1995. 
  866.  
  867. 26.    D. Mitra and J. B. Seery, "Comparative Evaluations of Randomized 
  868. and Dynamic Routing Strategies for CircuitSwitched Networks," IEEE 
  869. Trans. on Communications, pp. 102-116, January, 1991. 
  870.  
  871. 27.    S. Bahk and M. El Zarki, "Dynamic Multi-Path Routing and How it 
  872. Compares with Other Dynamic Routing Algorithms for High Speed Wide Area 
  873. Networks," Proceedings of SIGCOMM `92, pp. 53-64, 1992. 
  874.  
  875. 28.    R. Gawlick, C. R. Kalmanek, and K. G. Ramakrishnan, "On-Line 
  876. Routing of Permanent Virtual Circuits," Computer Communications, March, 
  877. 1996. 
  878.  
  879. 29.    Z. Zhang, C. Sanchez, B. Salkewicz, and E. Crawley, "QoS Extensions to OSPF," Internet Draft, draft-zhang-qos-ospf-00.txt, June, 1996.
  880.  
  881. AUTHORS' ADDRESSES
  882.  
  883.    Bala Rajagopalan                            Raj Nair
  884.    Bellcore                                    Ascom Nexen
  885.    445 South Street, Rm 1A-257B               289 Great Rd.    
  886.    Morristown, NJ 07960                        Acton, MA 01720
  887.    U.S.A                                       U.S.A
  888.  
  889.    Ph: +1-201-829-4261                         Ph: +1-508-266-4536 
  890.    Email: braja@bellcore.com                   Email: nair@nexen.com
  891.  
  892.  
  893. draft-nair-qos-based-routing-01.txt (Expires 4/26/97)        Page 14
  894.  
  895.