Controle de QoSEm

Redes Convergentes

Dr. Denis Gabos, Eng.Coordenador Tecnologia em Redes de Computadores

Centro Universitário SENACCampus Santo Amaro

denis.gabos@sp.senac.br

Agenda

INTRODUÇÃO1Caracterização de Tecnologias Convergentes Motivação

CONCEITOS GERAIS2QoS e Controle de QoSArquitetura ConceitualArquiteturas Edge-to-edge

ARQUITETURAS COMPLETASE TECNOLOGIAS3

IntServ e DiffServMPLSControle de QoS no IPv6

EXEMPLO4 Rede SADIA

1INTRODUÇÃO

Redes Convergentes

São aquelas que suportam a integração de

dados, voz (áudio) e vídeo

com suas respectivas necessidades de qualidade de serviço,

isto é,

suportam aplicações multimídia, de voz e de comunicação de

dados, todas juntas numa mesma rede.

Benefícios da Convergência

Redes por comutação de circuitos desperdiçam banda. As redes

por comutação de pacotes e as redes IP em particular otimizam a

utilização dessa banda.

Existência de uma única infra-estrutura de rede com interface única

padronizada para acesso de voz, dados e vídeo.

Acabam com a sobreposição de redes, que geram custos mais

elevados por multiplicação de custos.

Uso de tecnologias abertas (IP).

Etc...

Parâmetros de Qualidade de Serviço

Parâmetros de Qualidade de Serviço:

» Vazão

» Atraso de Trânsito

» Variação do Atraso de Trânsito (jitter)

» Taxa de Erro

» Disponibilidade

 

As Aplicações e a Qualidade de Serviço

As aplicações variam em suas exigências sobre os parâmetros de QoS.

As redes convergentes precisam acomodar e integrar todas essas exigências.

PE: Pouco Exigente; E: Exigente; ME: Muito Exigente.

AplicaçõesQuesitos

Dados Dados Gráficos

Voz Voz Interativa Vídeo Vídeo

Interativo

Vazão/Banda PE E E E ME ME

AtrasoPE PE E ME E ME

Variação do Atraso PE PE ME ME ME ME

Taxa de Erro E ME PE PE E/(PE) ME/(E)

REDE = COMPARTILHAMENTO

De meios físicos(Técnicas de Multiplexação)

De estruturas de equipamentos(Técnicas de Comutação)

•Em frequência.

•No tempo

•De Circuitos

•De Pacotes

•De Células

As diversas tecnologias existentes combinam tais técnicas fornecendo diversos resultados de qualidade

de serviço.

Técnicas de Comutação

Técnicas e Tecnologias: Características

Vantagens ou Desvantagens??

Comutação de Circuitos•Baixo Jitter•Sem congestionamento•Capacidade fixa•Desperdício de Banda•Menor disponibilidade média•Menor “overhead”

Comutação de Pacotes/Frames•Jitter•Suporta tráfego burst•Tráfego agregado estatisticamente•Sem alocação fixa de recursos•Perda de pacotes•Rotas alternativas (eng. de tráfego)

Comutação de Células•Baixo “overhead” de processamento•Alto “overhead” de cabeçalho•Alocação dinâmica de banda•Suporta vários tipos de serviço

Técnicas de Comutação e QoS

2Conceitos Básicos

Mecanismos para Controle de Qualidade de Serviço

Reserva de banda através de sinalização e controle de buffers.

Priorização de dados de acordo com a categoria do serviço associada ao canal lógico:» Exemplo:

– Se o canal é rt-VBR é prioritário em relação a um canal nrt-VBR.

Implementação de mecanismos de sincronização e priorização para aplicações sensíveis a atraso de trânsito.

Mecanismos de detecção e recuperação de erros.

Controle de Qualidade de Serviço

Atraso

Variação de atraso

Banda

Confiabilidade

Priorização de dados de acordo com a categoria do canal:» rt-VBR > nrt-VBR

Mecanismos de Sincronização: » Ex: time stamp.

Reserva de banda através de sinalização.

Detecção e correção de erros.

Objetivo do Controle de Qualidade de Serviço

IMPLEMENTAR SERVIÇOS

COM QoS ESPECÍFICO PARA CADA TIPO OU CLASSE,

INDEPENDENTEMENTE DO QUE

ACONTECE COM OS OUTROS TRÁFEGOS OU

SERVIÇOS.

Componentes de Uma Estrutura de QoS

Pacote

Fila 1

Fila n

Fila 2Pacote Pacote Pacote

RótulosPriorização

Tipos de TráfegoServiços

Aplicações

PriorizaçãoPoliciamentoMarcaçõesDescarte

Gerenciamento de FilaTraffic shapping

Roteamento Classificação Enfileramento Escalonamento

SchedQueueClassRot

Componentes de Uma Estrutura de QoS

EdgeRouter

SchedQueueRot SchedQueueRot SchedQueueRot

EdgeRouter

CoreRouter

CoreRouter

Per-Hop BehaviorPHB

PHB PHB PHB

Edge-to-edge QoS

Sinalização:

Troca de informações entre elementos de rede para

configurar um certo serviço edge-to-edge.

Modelos Edge-to-edge de QoS:

Soluções que especificam o número suficiente de

características para a construção de redes com

QoS. Normalmente especificam:» Modelo de Rede» Modelo de Serviço» Sinalização e Controle de Admissão» Tipos de tráfego

Conceitos da Estrutura de QoS

Tecnologias de alta velocidade que já suportam alguma integração

e convergência de aplicações: Frame Relay.

Tecnologias que suportam controle de QoS nativamente: ATM.

Tecnologia IP com:

– IntServ: Integrated Services

– RSVP: Reservation Protocol (sinalização),

– Diffserv: Differentiated Services

– Padrões IEEE 802.1 Q/p

– MPLS: Multi Protocol Label Switching

– RTP, RTCP (Real Time Protocol, Real Time Control Protocol).

QoS e Tecnologias de Rede

Redes IP: Tecnologias para QoS (1)

Modelos de QoS edge-to-edge

» IntServ (Integrated Services): define procedimentos para

classificação sofisticada e diversificada de serviços para o

IP e mecanismos de reserva de banda. Utiliza o RSVP

como protocolo de sinalização.

» Diffserv (Differentiated Services): define um sub-

conjunto de classes de serviços para o IP do IntServ e

mecanismos de reserva de banda.

Redes IP: Tecnologias para QoS (2)

Controle de Circuito Virtual Sobre Redes IP

» MPLS (MultiProtocol Label Switching): emprega a

técnica de tag switching para aumentar velocidade de

chaveamento e roteamento, reduzindo o atraso de trânsito

e o jitter. Torna mais fácil a implementação de prioridade

de tráfego com requisitos críticos de tempo.

Protocolo de Sinalização:

» RSVP (Resource Reservation Protocol): requisita a

reserva de recursos e preparação dos roteadores para

garantir QoS;

3Arquiteturas Completas e Tecnologias

3.1Arquitetura IntServ

Integrated Services (IntServ): Histórico

Desenvolvido no início da década de 90;

Foi o primeiro esforço de especificação de uma arquitetura de controle

de QoS;

Foram organizados 3 grupos de trabalho:

» INTSERV: Arquitetura Geral

Modelos de Serviço

Especificação de Fluxos

Framework para os demais trabalhos e componentes

» ISSLL (Integrated Services over Specific Link Layers): IntServ sobre

tecnologias específicas (Ethernet, ATM, etc);

» RSVP: Alocação de recursos na rede.

IntServ: Visão Geral

Controla o que se chama de Fluxo IntServ: conjunto

identificável e classificável de pacotes de uma fonte em

direção a um ou mais destinos com tratamento comum de

QoS requisitado.

O IntServ identifica e classifica fluxos através da quíntupla

[IP fonte, IP destino, ID protocolo(IP), Port fonte, Port

destino];

Controla de maneira dinâmica e contínua os recursos

alocados através do protocolo RSVP.

IntServ: Modelo de Referência

Agente de Roteamentoc/ QoS

Controle de Admissão

Agente de EstabelecimentoDe Reserva

Tabela de Reserva de Recursos

Identificação de Fluxo Escalonador de Pacotes

Plano de Controle

Plano de Dados

IntServ: RoteamentoAções nos Principais Componentes

1. Aplicação caracteriza seu fluxo e especifica requisitos de QoS;

2. Requisitos de QoS são enviados à rede;

3. Roteador interage com módulo de Roteamento e determina próximo

passo;

4. Interage com Controle de Admissão para determinar se há recursos

suficientes;

5. Reserva de fluxo é configurado na Tabela de Alocação de Recursos;

6. Informações da Tabela são usadas para configurar o identificador de

fluxo e o escalonador de pacotes;

7. Roteador passa a chavear pacotes com essas informações: identifica

fluxo, coloca na fila correta e o escalonador trata as filas de acordo

com as alocações de recurso configuradas.

APLICAÇÃOAPLICAÇÃO

PLANO DE PLANO DE

CONTROLECONTROLE

PLANO DE PLANO DE

DADOSDADOS

RSVP

RSVP: Resource Reservation Protocol;

Responsável pelos procedimentos de reserva de recursos (sinalização) e controle de admissão na arquitetura IntServ;

São implementadas três funções:

» Negociação: verifica se a rede (NE por NE) pode comprometer-se com esse novo fluxo que está entrando;

» Configuração: quando a rede configura os NEs ao longo do caminho para suportar o tráfego negociado;

» Policiamento: controle permanente sobre o usuário e sobre os recursos da rede para manter o que foi negociado.

RSVP – Modelo Básico

Duas principais mensagens:

» PATH (Path establishment)

» RESV (Reservation)

HostA

HostC

HostB

RESVRESVPATHPATH

RSVP: Propósitos das Mensagens

As mensagens PATH e RESV possuem vários propósitos:

PATH:

» Distribui informações sobre a fonte de tráfego para os receptores;

» Repassa para a rede as características do caminho;

» Instala o estado necessário para a RESV encontrar a fonte.

RESV:

» É utilizado pelo receptor para requisitar a reserva de recursos;

» Especifica os recursos requisitados pelo receptor;

» Estabelece o estado de reserva nos elementos de rede.

3.2Arquitetura DiffServ

Problemas do IntServ

Complexidade dos mecanismos de classificação;

Grande quantidade de fluxos exige muito processamento

nos roteadores;

Procedimentos de controle e manutenção do RSVP geram

muito overhead na rede.

Differentiated Services (DiffServ)

DiffServ define um conjunto reduzido de fluxos (classes de

tráfego) e define mecanismos sobre esses fluxos;

Serviços edge-to-edge construídos a partir de um sub-conjunto

restrito de comportamentos nos roteadores do núcleo;

Objetivo é obter roteadores mais rápidos no núcleo;

Menos informações para tratar, menos processos e

armazenamento;

Núcleo da rede trabalha sobre conjunto restrito de classes pré

configuradas (não há protocolo de sinalização).

DiffServ – Visão Geral

ToS/DS

TipoProt.

End.Fonte

End.Destino

PortasFont/Dest

Roteador Edge:Classificação Multicampo, Policing, Marking

DS

Fila 1

Fila n

Fila 2Pacote Pacote

Queuing Scheduling

0 1 2 3 4 5 6 7

Roteador Core:Classificação DS, Policing, Marking, Queuing, Scheduling

DSCP: Differentiated Services Code-Point

Edge EdgeEdge

Core Core

DiffServ: Terminologia e Conceitos

DiffServ especifica comportamento per-hop (PHB – Per-Hop

Behavior);

Provedores combinam PHBs para implementar serviços edge-

to-edge;

Uma rede com suas regras de mapeamento e mecanismos

DiffServ constituem um Domínio DiffServ;

Um conjunto de Domínios DS é uma Região DS. É

responsabilidade do operador/administrador garantir que o

serviço end-to-end esteja de acordo com o previsto,

DiffServ: PHB e Codepoints

PHB: enfileiramento, gerenciamento de fila e policing;

Permite certa liberdade na escolha de algoritmos para implementar o

comportamento;

PHBs são indicados por valores específicos no DSCP;

Grupos de PHBs podem ter vários códigos de DSCP;

RFC 2474 é um “guia” para alocação de DSCPs:

POOL DSCP Descrição

1 XXXXX0 Definido pelo IANA – Padrões DiffServ

2 XXXX11 Experimental / Local

3 XXXX01 Experimental / Local / IANA

Definições de DSCP (1)

PHB Default: Padrão de comportamento antigo “Best efort”,

código 000000:

» Reencaminhamento sem nenhum tipo de tratamento;

» Enviados o quanto antes;

» As outras classes tem maior prioridade mas deve ser alocado

um mínimo de banda.

Class Selector: Compatibilidade com os comportamentos antigos

do ToS do IPv4: DSCP = XXX000:

» Ex: os códigos 110 e 111 são usados para tráfego de

roteamento;

Definições de DSCP (2)

Expedited Forwarding (EF PHB) (RFC 2598): reencaminhamento

imediato – usado para serviços de baixo atraso e jitter;

Assured Forwarding (AF PHB) (RFC 2597): grupo para serviços

edge-to-edge especificados em termos de largura de banda;

3.3MPLS: Multiprotocol Label Switching

• Label Based Switching.

• Cria um circuito virtual através de um rótulo (Label) que substitui internamente as informações de nível 3.

• Torna mais rápido o processo de chaveamento;

• Separa roteamento de chaveamento;

• Permite implementação de Engenharia de Tráfego, controle de QoS e VPNs.

• MPLS - Multiprotocol Label Switching

• Cria rotas por classe de equivalência de reencaminhamento.

• Classes identificadas por rótulos mais simples.

• Se pacote não se enquadra em nenhuma classe é roteado de maneira convencional

MPLS (MultiProtocol Label Switching)

Processamento do pacote

Manter a flexibilidade do roteamento baseado no endereçamento IP;

Aumentar a velocidade do re-encaminhamento;

Fornecer gerenciamento de tráfego e suporte a QoS para a rede IP.

Informações sobre rotas

Pacote entrando

Protocolo de Roteamento

Controle

Encaminhamento

Tabela de Roteamento

Pacote saindo

Informações sobre rotas

Histórico: Solução Desejada

Arquitetura

LSRA

LSRB

LSRD

LSRC

LSP1

LSP3LSP2

LSR - Label Switched Router: Roteador que implementa MPLS;

LSP - Label Switched Path: Circuito Virtual sobre a rede IP.

1a. Protocolos de roteamento existentes (e.g. OSPF, IS-IS) estabelecem a alcançabilidade da rede de destino

1b. Protocolo de distribuição de label determina o mapeamento entre o label e a rede de destino

2. LSR de Ingresso recebe o pacote, realiza uma busca na tabela de labels e insere um label no pacote. 3. LSRs encaminham os

pacotes usando label swapping

4. LSR de Egresso remove o label e entrega o pacote

Operação da Rede MPLS: Visão Geral

Rede Operando com MPLS

Label SwitchingRouters

Um fluxo repetitivo Recebe um Label e é chaveado como umCircuito virtual

Os pacotes “exporádicos são roteados normalmente.

E-LSPs: classe de agendamento do PHB mapeado no campo EXP suporta até 8 DSCPs

L-LSPs: classe de agendamento mapeada no valor do LSP campo EXP pode carregar a prioridade de descarte

LSP Híbrido L-LSP implementando EF e E-LSP implementando AF e BE

Suporte a Controle de Qos em Redes MPLS

Suporte a QoS: MPLS+DiffServMapeamento de DiffServ na rede MPLS:

MPLS e QoS

Pode-se dizer que o MPLS com o QoS permite criar dutos na rede

relativos a diferentes classes de serviço:

LSRC

LSRD

LSRE

LSRA

LSRB

LSR - Label Switching Router

Servidor de Vídeo

Servidor de Arquivos

Fluxo de

Vídeo

Fluxo de

Dados

3.4Controle de QoS no IPv6

IPv6

Motivação Inicial: espaço de endereçamento esgotado por volta

de 2008;

Motivações adicionais posteriores:

Melhorar o formato do header para permitir maior velocidade de

processamento e de transmissão;

Mudanças no header para incorporar mecanismos de controle de

QoS;

Novo tipo de endereço: “anycast” - permite enviar uma mensagem

para o melhor dentre vários servidores replicados;

dados

Source Address, 128 bits

Version4 bits

Flow Label, 20 bits

20 bytes

0 15 16 31

Destination Address, 128 bits

Hop Limit8 bits

Next Header8 bits

Priority, 8 bits

Payload Lenght, 16 bits

Cabeçalho IPv6cabeçalho

IPv6: Algumas Características

Cabeçalho fixo de 40 bytes;

Não é permitida fragmentação;

Checksum removido para reduzir tempo de processamento;

Options são permitidas, mas são alocadas em cabeçalhos complementares,

apontados pelo “Next Header”;

ICMPv6: nova versão de ICMP com novas mensagens e funções de

administração de grupos multicast;

Priority: permite definir prioridades diferentes em cada fluxo de informação;

Flow Label: identifica datagramas do mesmo fluxo. O conceito de fluxo não é

bem definido;

Next Header: identifica o protocolo da camada superior ou header adicional.

4Exemplo: Rede SADIA

Rede SADIA: Visão Geral

• Matriz em São Paulo e outras 41 localidades remotas, distribuídas em várias localidades no território Brasileiro;

• Integração: a rede deveria integrar os serviços de dados em IP, dados em X.25 e voz;

• Para os serviços de voz optou-se pela tecnologia de VoIP, pela flexibilidade em termos de implementação sobre diferentes infra-estruturas de rede em nível de enlace, assim como a possibilidade de integração futura com ambiente de desktop;

• Qualidade de Serviço: necessidade de classificação de tráfegos, pois alguns, apesar de serem de dados, necessitavam de QoS, por serem muito importantes, tais como Lotus Notes, transações de cartões de crédito.

Visão Completa da Rede

CastroAssis Chateubriand

Lucas do Rio Verde (acesso via satélite)Curitiba

(Maracanaú)

Fortaleza(Colombo)

MatrizSão Paulo

(Vila Anastácio)MPLS

EMBRATEL

EBGP - Multi-Hop Rua dos Ingleses

EBT Lapa

MHSRP

RASOffice Dial

BGP - PeerPorta Frame Relay c/QoS

PortaHDLC

HSRP

HSRP

BGP - Peer

Site que eventualmentenão tenha acesso terrestre

PortasHDLC

Portas Frame Relay

c/QoS

BauruBrasíliaCampinasChapecóConcordiaJundiaíManausPorto AlegreRecifeRibeirão PretoPta GrossaSerraS. José dos Campos

Paranaguá PortoBelémCampo ErêGuaraniaçu

ToledoUberlândiaVárzea GrandeBelo HorizonteCampo VerdeD. VizinhosF. BeltrãoFaxinol dos GuedesSalvadorTrês PassosDuque de CaxiasParanaguá Ind.

MedianeiraPato BrancoS. Joaquim da BarraXanxerê

Classes de Serviço

• Foram definidas cinco classes de serviços (Classes de Re-

encaminhamento:

Descrição das Classes de Serviço

• Classe Voz: pacotes de voz.;

• Classe Altíssima: dados provenientes do tráfego X.25. O trafego X.25 é transportado pela rede IP através do protocolo XOT (X.25 over TCP) (porta 1998);

• Classe Alta: dados provenientes das aplicações IP que o cliente considera de maior prioridade. Os pacotes referentes a estas aplicações foram identificados através das portas TCP e UDP e endereços IP utilizados por cada um deles, por meio de listas de acesso;

• Classe Média: dados provenientes das aplicações IP que o cliente considera de média prioridade. Mesma técnica de identificação que a Classe Alta;

• Classe Regular: nesta classe foram incluídos os pacotes referentes ao tráfego de Lotus Notes. Classe específica devido ao alto tráfego. Também foram alocadas aqui os fluxos de controle de rede e de roteamento;

• Classe baixa (class default): dados das demais aplicações IP.

Mapeamento de Aplicações nos Serviços

Denis Gabos – “Redes Convergentes: Tecnologias e Aplicações”. Notas de Aula – Disciplina Tópicos Especiais em Redes De Computadores. Bacharelado em Ciência da Computação – Centro Universitário SENAC – Campus Santo Amaro – Tecnologia da Informação;

Marcelo Tsutomu Yamaguchi – Voz Sobre IP e Qualidade de Serviço em Redes Multiserviço: Experiências de um Caso Prático. Trabalho de Formatura - MBA/LARC – Escola Politécnica da USP – 2006;

LARC/PCS/EPUSP: Lab. de Arquitetura e Redes de Computadores – Departamento de Sistemas Digitais - Escola Politécnica da USP;

Créditos e Referências