docs/design/specs/High-Priority-Traffic-Path.rst

   1 .. This work is licensed under a Creative Commons Attribution 3.0 Unported
   2 .. License.
   3 .. http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/legalcode
   4
   5 ==========================================
   6 High Priority Traffic Path
   7 ==========================================
   8
   9 https://wiki.opnfv.org/display/ovsnfv/OVSFV+Requirement+-+High+Priority+Traffic+Path
  10
  11 Problem description
  12 ===================
  13
  14 A network design may need to adequately accommodate multiple classes of traffic, each
  15 class requiring different levels of service in critical network elements.
  16
  17 As a concrete example, a network element managed by a service provider may be
  18 handling voice and elastic data traffic. Voice traffic requires that the end-to-end
  19 latency and jitter is bounded to some numerical limit (in msec) accuracy in order to ensure
  20 sufficient quality-of-service (QoS) for the participants in the voice call.
  21 Elastic data traffic does not impose the same demanding requirements on the network
  22 (there will be essentially no requirement on jitter. For example, when downloading a
  23 large file across the Internet, although the bandwidth requirements may be high there
  24 is usually no requirement that the file arrives within a bounded time interval.
  25
  26 Depending on the scheduling algorithms running on the network element,
  27 frames belonging to the data traffic may get transmitted before frames
  28 belonging to the voice traffic introducing unwanted latency or jitter.
  29 Therefore, in order to ensure deterministic latency and jitter characteristics
  30 end-to-end, each network element through which the voice traffic traverses
  31 must ensure that voice traffic is handled deterministically.
  32
  33 Hardware switches have typically been designed to ensure certain classes
  34 of traffic can be scheduled ahead of other classes and are also
  35 over-provisioned which further ensures deterministic behavior when
  36 handling high priority traffic. However, software switches (which includes
  37 virtual switches such as Open vSwitch) may require modification in order
  38 to achieve this deterministic behavior.
  39
  40 Use Cases
  41 ---------
  42
  43 1. Program classes of service
  44
  45 The End User specifies a number of classes of service. Each class of service
  46 will be represented by the value of a particular field in a frame. The class
  47 of service determines the priority treatment which flows in the class will
  48 receive, while maintaining a relative level of priority for other classes and
  49 a default level of treatment for the lowest priority class of service. As
  50 such, each class of service will be associated with a priority. The End User
  51 will associate classes of service and priorities to ingress ports with the
  52 expectation that frames that arrive on these ingress ports will get
  53 scheduled following the specified priorities.
  54
  55 Note: Priority treatment of the classes of service cannot cause any one of
  56 the classes (even the default class) from being transferred at all. In other
  57 words, a strict priority treatment would likely not be successful for serving
  58 all classes eventually, and this is a key consideration.
  59
  60 2. Forward high priority network traffic
  61
  62 A remote network element sends traffic to Open vSwitch. The remote network
  63 element, indicates the class of service to which this flow of traffic belongs
  64 to by modifying a pre-determined but arbitrary field in the frame as specified
  65 in Use Case 1. Some examples include the Differentiated Services Code Point
  66 (DSCP) in an IP packet or the Priority Code Point (PCP) in an Ethernet frame.
  67 The relative priority treatment that frames get processed by Open vSwitch can be guaranteed by the
  68 values populated in these fields when the fields are different. If the fields
  69 are the same, ordering is not deterministic.
  70
  71 For example: Packet A is sent with a DSCP value of 0 and packet B is sent
  72 with a value of 46; 0 has a lower priority than 46. Packet A arrives
  73 before packet B. If Open vSwitch has been configured as such, Packet
  74 B will be transmitted before Packet A.
  75
  76 Proposed change
  77 ===============
  78
  79 TBD
  80
  81 Alternatives
  82 ------------
  83
  84 TBD
  85
  86 OVSDB schema impact
  87 -------------------
  88
  89 TBD
  90
  91 User interface impact
  92 ---------------------
  93
  94 TBD
  95
  96 Security impact
  97 ---------------
  98
  99 TBD
 100
 101 Other end user impact
 102 ---------------------
 103
 104 TBD
 105
 106 Performance Impact
 107 ------------------
 108
 109 TBD
 110
 111 Other deployer impact
 112 ---------------------
 113
 114 TBD
 115
 116 Developer impact
 117 ----------------
 118
 119 TBD
 120
 121 Implementation
 122 ==============
 123
 124 Assignee(s)
 125 -----------
 126
 127 Who is leading the writing of the code? Or is this a blueprint where you're
 128 throwing it out there to see who picks it up?
 129
 130 If more than one person is working on the implementation, please designate the
 131 primary author and contact.
 132
 133 Primary assignee:
 134   <email address>
 135
 136 Other contributors:
 137   <email address>
 138
 139 Work Items
 140 ----------
 141
 142 TBD
 143
 144 Dependencies
 145 ============
 146
 147 TBD
 148
 149 Testing
 150 =======
 151
 152 In order to test how effectively the virtual switch handles high priority traffic
 153 types, the following scheme is suggested.::
 154
 155                    +---------------------------+         Ingress Traffic Parameters
 156                    |                           |         +-------------------------------------------+
 157                    |                           |
 158                    |                           |         Packet Size: The size of the Ethernet frames
 159                    |                           |
 160                    |                           |         Tmax: RFC2544 Max. Throughput for traffic of
 161                    |                    PHY0   <-------+ "Packet Size"
 162                    |                           |
 163                    |                           |         Total Offered Rate: The offered rate of both
 164                    |                           |         traffic classes combined expressed as a % of
 165                    |                           |         Tmax
 166                    |                           |
 167                    |                           |         Ingress Rates are expressed as a percentage
 168                    |                           |         of Total Offered Rate.
 169                    |                           |
 170                    |                           |         Class A:
 171                    |             OVS           |         Ethernet PCP = 0 (Background)
 172                    |            (BR0)          |         Ingress Rate      : rate_ingress_a(n) Mfps
 173                    |                           |
 174                    |                           |         Class B:
 175                    |                           |         Ethernet PCP = 7 (Highest)
 176                    |                           |         Ingress Rate      : rate_ingress_b(n) Mfps
 177                    |                           |
 178                    |                           |         Egress Traffic Measurements
 179                    |                           |         +-------------------------------------------+
 180                    |                           |         Class A:
 181                    |                           |         Egress Throughput : rate_egress_a(n) Mfps
 182                    |                           |         Egress Latency    : max_lat_egrees_a(n) ms
 183                    |                           |         Egress Jitter     : max_jit_egress_a(n) ms
 184                    |                    PHY1   +------->
 185                    |                           |         Class B:
 186                    |                           |         Egress Throughput : rate_egress_b(n) Mfps
 187                    |                           |         Egress Latency    : max_lat_egrees_b(n) ms
 188                    +---------------------------+         Egress Jitter     : max_jit_egress_b(n) ms
 189
 190
 191 Open vSwitch is configured to forward traffic between two ports agnostic to the
 192 traffic type. For example, using the following command:
 193
 194 ovs-ofctl add-flow br0 in_port=0,actions=output:1
 195
 196 The test will be carried out with the functionality to enable high-priority
 197 traffic enabled and disabled in order to guage the change in performance for
 198 both cases.
 199
 200 Two classes of traffic will be generated by a traffic generator. In the example
 201 above, the classes are differentiated using the Ethernet PCP field. However,
 202 another means for differentiating traffic could be used, depending the
 203 prioritization scheme that is developed.
 204
 205 Tests should be performed for each combination of:
 206
 207 * Packet Sizes in (64, 512)
 208 * Total Offered Rate in (80, 120, 150)
 209 * rate_ingress_b(n) / rate_ingress_a(n) in (0.1, 0.2, 0.5)
 210
 211 For each set, the following metrics should be collected for each traffic
 212 class over a specified time period:
 213
 214 Egress Throughput (Mfps)
 215 Maximum Egress Latency (ms)
 216 Maximum Egress Jitter (ms)
 217
 218 Documentation Impact
 219 ====================
 220
 221 TBD
 222
 223 References
 224 ==========
 225
 226 Please add any useful references here. You are not required to have any
 227 reference. Moreover, this specification should still make sense when your
 228 references are unavailable. Examples of what you could include are:
 229
 230 * Links to mailing list or IRC discussions
 231
 232 - http://lists.opnfv.org/pipermail/opnfv-tech-discuss/2015-December/007193.html
 233 - http://ircbot.wl.linuxfoundation.org/meetings/opnfv-ovsnfv/2016/opnfv-ovsnfv.2016-03-07-13.01.html
 234
 235 * Links to relevant research, if appropriate
 236
 237 - https://wiki.opnfv.org/download/attachments/5046510/qos_mechanisms.pdf?version=1&modificationDate=1459187636000&api=v2
 238
 239 * Related specifications as appropriate
 240
 241 * Anything else you feel it is worthwhile to refer to
 242
 243
 244 History
 245 =======
 246
 247 Optional section intended to be used each time the spec
 248 is updated to describe new design, API or any database schema
 249 updated. Useful to let reader understand what's happened along the
 250 time.
 251
 252 .. list-table:: Revisions
 253    :header-rows: 1
 254
 255    * - Release Name
 256      - Description
 257    * - Colorado
 258      - Introduced