ENSINANDO QUALIDADE DE SERVIÇO NA INTERNET COM O OPNET MODELER

Antonio M. Alberti1, Renan S. dos Santos

2, Thiago F. Lopes

3, Heyder F. A. Alves

4, Carles F. C. Vallvé

5

1 Antonio Marcos Alberti, , INATEL - Instituto Nacional de Telecomunicações, Av. João de Camargo, 510, 37540-000, Sta Rita do Sapucai, MG, Brasil, alberti@inatel.br. 2 Renan Silveira dos Santos, INATEL, Av. João de Camargo, 510, 37540-000, Sta Rita do Sapucai, MG, Brasil, renan-santos@inatel.br. 3 Thiago Ferreira Lopes, INATEL, Av. João de Camargo, 510, 37540-000, Sta Rita do Sapucai, MG, Brasil, thiago-lopes@inatel.br. 4 Heyder Fernando A. Alves, INATEL, Av. João de Camargo, 510, 37540-000, Sta Rita do Sapucai, MG, Brasil, heyder@inatel.br. 5 Carles Fransesc Casanova Vallvé, INATEL, Av. João de Camargo, 510, 37540-000, Sta Rita do Sapucai, MG, Brasil, carles@inatel.br.

Abstract In the past few years, many improvements have

been done to bring Quality of Service (QoS) support to the

Internet. These improvements defined a new Internet QoS

framework, mainly composed by Differentiated Services

(DiffServ), Multi-Protocol Label Switching (MPLS) and

Constraint Based Routing technologies. Taking in account

the current trend that Internet will become a multimedia

convergent network, capable to support multimedia

applications with QoS, the understanding of such framework

is fundamental to the formation of today area professionals.

In this scenario, this paper describes our experience in

teaching Internet QoS in a simulation laboratory. Details of

experiments, obtained results and performed analysis are

provided. We used OPNET Modeler simulation environment

to simulate three scenarios: standard Internet, MPLS

Internet and DiffServ/MPLS Internet. Through simulations

results, students can see the advantages and disadvantages

of each scenario. The experiments are used in a graduate

telecommunication engineering course. Index Terms QoS, Internet, MPLS, DiffServ, OPNET.

INTRODUÇÃO

Com o desenvolvimento da Internet [1], serviços multimídia vêm se tornando cada vez mais populares. Esses serviços geram tráfegos intensos na rede, que demandam por altas taxas de transmissão e são sensíveis ao atraso e a variação de atraso, experimentados na rede. As redes IP [4], como a Internet, são redes não orientadas à conexão, baseadas em datagramas. Elas são estruturadas através de roteadores, o que permite flexibilidade de roteamento e robustez. Entretanto, quando se trabalha com tráfego em tempo real interativo, os roteadores não conseguem oferecer garantias de qualidade de serviço (QoS), uma vez que eles não reservam recursos, nem realizam o roteamento baseado nos requisitos de QoS (tipicamente).

Como solução para esse problema, surgiram as redes orientadas à conexão, baseadas em circuitos virtuais, como as redes ATM (Asynchronous Transfer Mode) [9]. Estas redes utilizam comutadores, ao invés de roteadores. Neste cenário, surgiu a tecnologia MPLS [1], Multiprotocol Label Switching, que se propõem, de forma inteligente, a agregar as vantagens do roteamento, com a eficiência e a reserva de

recursos existentes nas redes de comutação de pacotes baseadas em circuito virtual.

Levando-se em conta a atual tendência de que a Internet se tornará uma rede convergente multimídia, capaz de suportar aplicações com garantias de QoS, o entendimento de tais tecnologias e dos seus fundamentos, é peça chave na formação dos atuais profissionais da área. Assim, este artigo descreve a nossa experiência em ensinar estas tecnologias, utilizando um laboratório de simulação. Detalhes dos experimentos realizados, resultados obtidos e análises feitas, são fornecidos. Através dos resultados dessas simulações, os estudantes podem verificar as vantagens, desvantagens e principais aspectos relacionados com cada tecnologia.

MPLS E DIFFSERV

O MPLS [1] baseia-se no conceito de Label Switching, onde cada pacote recebe um label pequeno e fixo, que informa aos nós de comutação, como os dados devem ser comutados nesta rede.

O MPLS foi desenvolvido originalmente para ser utilizado em conjunto com redes ATM. Neste caso, o plano de controle do ATM é dispensado, aproveitando-se somente a comutação de células ATM, que é feita em hardware. Os labels são os próprios identificadores de canal virtual (VCI – Virtual Channel Identifier) e de caminho virtual (VPI – Virtual Path Identifier) do ATM [9].

No MPLS existem dois tipos de roteadores: o LER (Label Edge Routers) e o LSR (Label Switch Routers). Os LERs estão localizados na borda da rede e a sua função primária é classificar e escolher os labels adequados para cada fluxo de pacotes na entrada da rede e remover os labels, na saída da rede. Eles convertem pacotes IP em pacotes MPLS. Os LSRs estão localizados no núcleo da rede e são comutadores de alta velocidade, cujo principal objetivo é encaminhar pacotes rapidamente. Um label MPLS é um pequeno identificador de circuito virtual de tamanho fixo (20 bits), colocado no cabeçalho dos pacotes MPLS. O cabeçalho MPLS possui também o campo EXP (Experimental) que é usado para especificar as classes de serviço em um LSP (Label Switching Path).

Quando um pacote chega em um LER de ingresso, este analisa o conteúdo do datagrama IP e configura o cabeçalho adequado. Quando um pacote MPLS chega em um LSR, este

examina o cabeçalho do pacote MPLS. Em função deste cabeçalho e da interface em que o pacote chegou, o LSR consulta uma tabela de encaminhamento e determina qual é o label da interface de saída. Uma vez determinada a saída correta, o LSR substitui o label no cabeçalho do pacote MPLS e envia este pacote para o próximo LSR. Assim, um LSP é um caminho definido através de uma seqüência de labels, entre dois LERs. Todos os pacotes pertencentes a um LSP seguem o mesmo caminho pré-definido.

Para classificar os pacotes que pertencem a um LSP, utilizam-se as FECs (Forwarding Equivalence Class) [2][7]. Todos os pacotes pertencentes a uma FEC recebem o mesmo tratamento. Várias FECs podem ser utilizadas para classificar o tráfego de um LSP. Em síntese, uma FEC define um conjunto de regras para classificação do tráfego que pertence a um determinado LSP.

Quando um LSP transporta tráfego classificado por mais de uma FEC, o campo EXP é utilizado para identificar à qual FEC pertence o pacote. Este LSP é chamado de E-LSP (EXP-Inferred LSP) [7]. O campo EXP tem três bits, portanto podem ser definidas até 8 FECs em um LSP. Para cada FEC de um LSP é associado um tronco (trunk). Este tronco é utilizado para definir como será o policiamento e o escalonamento dos pacotes pertencentes a cada FEC do LSP. Assim, vários troncos, cada qual com o seu tráfego definido por uma FEC, podem compartilhar um mesmo LSP. O MPLS, através da sua arquitetura, permite reservar recursos na rede de comutação para um determinado tráfego IP, além de fornecer subsídios para que seja feita uma engenharia de tráfego na rede.

Para melhorar o suporte à QoS em uma rede multimídia IP, é preciso implementar, juntamente com o MPLS, o Diffserv [3]. Os Serviços Diferenciados (Diffserv) propõe uma estrutura de priorização de pacotes, na qual, eles são classificados de acordo com o tipo de dados que levam. A classificação de tráfego é feita através do uso Differentiated Service Code Point (DSCP). No DiffServ, o campo ToS (Type of Service) dos pacotes IP é redefinido como campo DS (1 byte). Este campo possui os 6 bits do DSCP, que são utilizados para definir a que classe de serviço (PHB - Per Hop Behaviour) pertence um determinado pacote IP. Portanto, cada DSCP especifica um PHB.

Todos os pacotes com o mesmo PHB são tratados da mesma forma em um roteador da rede. O IETF definiu os seguintes tipos de PHB [5]: • EF - Expedicted Forwarding: Nível de maior

prioridade. Voltado para tráfegos que exigem baixa perda de pacotes, atraso e variação de atraso limitados.

• AF - Assured Forwarding: Nível de prioridade intermediária. Voltado para tráfegos com diferentes exigências de perda, mas que toleram atrasos.

• Best Effort: Nível de prioridade baixa. No DiffServ também é possível se classificar o tráfego

nos roteadores de borda da rede, a fim de configurar o campo ToS. Também é possível que o software nos

terminais da rede configurem este campo, antes que o tráfego atinja os roteadores.

A principal forma de integração entre o MPLS e o DiffServ se dá pela utilização do campo DSCP como regra para construção de FECs. Assim, o tráfego DiffServ é mapeado para dentro de uma FEC de um LSP MPLS. Para tanto, os LERs da rede devem possuir tabelas de mapeamento PHB - EXP. Estas tabelas permitem o mapeamento de uma classe DiffServ em uma classe MPLS de um determinado LSP. Desta forma, é possível se implementar mecanismos de priorização de tráfego nos LSRs da rede baseados no campo EXP do MPLS e ToS do IP (DiffServ).

CENÁRIOS DE SIMULAÇÃO

Para realizar os experimentos de simulação, foi utilizada a ferramenta OPNET Modeler [6]. Considerada uma das principais ferramentas para o modelamento e simulação de redes de comunicações, o OPNET Modeler permite projetar e estudar estas redes, incluindo seus dispositivos e protocolos, com flexibilidade e escalabilidade. O OPNET Modeler possui um módulo especifíco para a tecnologia MPLS [7]. O trabalho baseou-se nos manuais da ferramenta, bem como na referência [8].

Três cenários de simulação foram selecionados, com o objetivo de avaliar uma metodologia para implantação e engenharia de novos serviços em uma rede IP com QoS: • Primeiro Cenário: Foi modelada uma rede IP sem

suporte à QoS (veja a FIGURA 1). Esta rede é composta por cinco roteadores centrais LSR (Campinas, Belo Horizonte, Vitória, Rio e São Paulo), cinco roteadores de borda LER (Cambuí, Savassi, Vila Velha, Copacabana, Moema) e um servidor (localizado em Moema), que fornece os serviços para todos os clientes da rede. Todos os enlaces são bi-direcionais e usam a tecnologia PPP_E1 [4], exceto os enlaces entre o LSR_SP e o servidor, que são do tipo PPP_E3. Foram utilizadas cinco aplicações [4]: Banco de Dados (Database), VoIP (Voice over IP), FTP (File Transfer Protocol), HTTP (HyperText_Transfer_Protocol) e Videoconferência. As aplicações Videoconferência e VoIP enviam datagramas com o campo ToS configurado para EF, enquanto as aplicações Banco de Dados, FTP e HTTP, utilizam AF 11. Para configurar o tráfego nas estações dos clientes e no servidor é necessário criar diferentes perfis. Duas configurações de perfis foram definidas: perfil real time (RT) e non-real time (NRT). O perfil real time é construído para as aplicações em tempo real: Videoconferência e VoIP. O perfil non-real time é construído para as aplicações de tráfego armazenado: Banco de Dados, FTP e HTTP. Configuraram-se os clientes que utilizam aplicações em tempo real, com o perfil RT, e os clientes de tráfego armazenado, com o perfil NRT.

FIGURA 1. TOPOLOGIA DA REDE UTILIZADA NOS EXPERIMENTOS.

• Segundo Cenário: foi utilizada a mesma topologia do primeiro cenário, adicionando-se às configurações necessárias para o suporte do MPLS. Foram criados oito LSP’s manualmente, todos estáticos. A FIGURA 1 mostra os LSPs criados (em verde, rosa, laranja e azul). Duas FEC’s foram configuradas: uma para aplicações em tempo real (RT) e outra para as demais aplicações (NRT). A FEC RT aceita tráfego com ToS igual a EF, enquanto a FEC NRT aceita tráfego com ToS igual a AF 11. Também foram criados dois troncos: RT Trunk e NRT Trunk. Feito isto, configurou-se a tabela de mapeamento de tráfego em cada LER. No atributo Traffic Mapping Configuration, dependendo do terminal ligado em cada interface do roteador, foi escolhida a FEC, o tronco e o LSP adequado.

• Terceiro Cenário: Finalmente, foi criado um terceiro cenário, utilizando-se DiffServ e o escalonador WFQ (Weighted Fair Queuing) [9], além das implementações anteriores. Foi alterado o atributo WFQ Profiles, do objeto QoS, mudando a propriedade Buffer Capacity para 10000 bytes. Configurou-se também os nós da rede para que eles utilizassem o WFQ, ao invés do FCFS (First-Coming First-Served) [9]. Em cada roteador LER e LSR, no atributo IP/IP QoS Parameters/Interface Information foi acrescentado tantas linhas quanto o número de interfaces do roteador. Em cada linha, foi alterado somente o parâmetro QoS Scheme. Este processo foi realizado em todos os roteadores da rede.

FAZENDO AS EXPERIÊNCIAS

Para cada cenário apresentado anteriormente, uma experiência em laboratório de simulação foi desenvolvida. A seguir, descrevem-se as atividades planejadas, os objetivos a serem atingidos e os resultados esperados em cada experiência. Vale ressaltar, que estas experiências fazem parte da disciplina TP 125 – Laboratório de Redes II, do

curso de Pós-Gradução em Engenharia de Redes e Sistemas de Telecomunicações do Inatel. Assim sendo, o aluno que executa estas experiências já teve contato com o OPNET Modeler.

Primeira Experiência

Esta experiência tem dois objetivos principais: 1º) fazer com que os estudantes relembrem os principais conceitos e funcionalidades necessárias para se utilizar o OPNET Modeler. 2º) montar o primeiro cenário. As principais atividades realizadas nesta experiência são: • Criação de um Novo Projeto: O aluno inicia a

construção do primeiro cenário a partir de um projeto vazio. Isto servirá para que ele relembre como trabalhar com o OPNET Modeler.

• Utilização da Palheta de Objetos: Nesta atividade, o aluno acrescenta novos objetos, não presentes na palheta original de MPLS.

• Criação das Aplicações da Rede: Nesta atividade, o aluno cria todas as aplicações da rede, configurando os principais parâmetros de cada aplicação. O objetivo é que o aluno entenda como as aplicações irão gerar tráfego na rede. Ainda nesta atividade, pede-se que os estudantes expliquem alguns dos parâmetros configurados. Como resultado, tem-se a familiarização dos alunos com os parâmetros típicos das aplicações.

• Criação dos Perfis da Rede: Esta atividade é bastante semelhante à anterior. Entretanto, agora são criados os perfis de uso das aplicações, configuradas na atividade anterior. Pede-se que o aluno comente sobre os parâmetros de cada um deles. Como resultado, tem-se a familiarização dos estudantes com os perfis de uso típico de aplicações multimídia.

• Colocação dos Elementos de Rede: Uma vez definidas as aplicações e os perfis de uso destas aplicações, pede-se que os alunos posicionem os elementos de rede, conforme a FIGURA 1. Esta rede já possui roteadores MPLS, porém eles ainda não serão utilizados. Também são configuradas as capacidades dos enlaces da rede. Pede-se para que os estudantes expliquem o que acontecerá nestes terminais. Ao final desta atividade, os participantes aprendem quais são os equipamentos e tipos de enlaces que podem ser utilizados para montar uma rede multimídia IP com MPLS.

• Configuração dos Serviços nos Terminais Fonte: Pede-se que os estudantes configurem os terminais RT para suportar as aplicações em tempo real. O mesmo é feito para os NRT. Este passo é bastante importante, pois os alunos precisam relacionar o suporte ao serviço com os perfis configurados anteriormente.

• Configuração dos Serviços no Servidor: Pede-se que os alunos configurem o único servidor da rede, para que ele suporte todos os serviçso da rede.

• Configuração das Estatísticas: Pede-se que os participantes configurem estatísticas de saída pré-

selecionadas. Estas estatísticas serão alvo das atividades de análise, logo a seguir.

• Execução da Simulação: Pede-se que o aluno configure a duração da simulação para 5 minutos e execute-a.

• Analise dos Resultados: Nesta etapa pede-se para os estudantes a análise dos resultados obtidos. Dentre as análises solicitadas estão: 1º) o atraso médio fim-a-fim observado para as aplicações RT e NRT nos terminais da rede. 2º) o tráfego médio enviado e recebido pelas aplicações RT e NRT. 3º) a utilização em alguns dos enlaces da rede. Como resultado, os alunos aprendem onde estão as limitações da Internet atual (sem MPLS e DiffServ) no tratamento à aplicações multimídia.

Segunda Experiência

Esta experiência tem por objetivo montar o segundo cenário e analisar a tecnologia MPLS. As principais atividades realizadas nesta experiência são: • Duplicação do Primeiro Cenário: O segundo cenário é

construído a partir da duplicação do primeiro. Portanto, possui os mesmos modelos e configurações.

• Criação dos LSPs: Nesta etapa, são criados e configurados os LSPs. Ao final desta atividade, os estudantes são questionados a respeito da finalidade dos LSPs. O objetivo é criar uma discussão e facilitar o entendimento dos resultados desta experiência. Como resultado, os participantes aprendem quais são as características de um LSP e quais são as principais decisões envolvidas na Engenharia de Tráfego MPLS.

• Criação das FECs: Pede-se que os estudantes criem duas FECs, conforme visto na seção anterior. Questiona-se sobre a utilidade das FECs. O entendimento e correta configuração das FEC é de suma importância para o restante das atividades. Ao final desta atividade, os alunos aprendem quais são as características de uma FEC e quais são as principais decisões envolvidas na classificação de tráfego Internet.

• Criação dos Troncos: Uma vez definidas as FECs, na seqüência é necessária a definição dos troncos. Dois troncos são criados: RT e NRT. Os estudantes são questionados a respeito do que acontece caso o tráfego submetido a um tronco ultrapasse a largura de banda negociada. Os participantes aprendem quais são os efeitos do policiamento de tráfego.

• Configuração dos LERs e LSRs: O próximo passo é configurar os LERs e LSRs da rede. É necessário habilitar o MPLS nestes modelos de equipamentos. Feito isso, é necessário configurar a Tabela de Mapeamento de Tráfego em cada LER. Questiona-se a razão por de trás desta configuração. Ela é necessária para que os LERs e LSRs saibam como encaminhar o tráfego através dos LSPs récem criados. Dependendo do terminal ligado em cada interface do roteador, deve-se escolher a FEC, o tronco e o LSP adequados. Como

resultado, tem-se a familiarização dos estudantes com a configuração típica de roteadores para o suporte à QoS.

• Configuração das Estatísticas dos LSPs: Pede-se que os alunos configurem estatísticas de saída pré-selecionadas, relacionadas aos LSPs criados.

• Execução da Simulação: A simulação deve ser executada por 5 minutos.

• Analise dos Resultados: As mesmas análises solicitadas na primeira experiência são repetidas. Entretanto, pede-se aos estudantes que comparem os resultados obtidos nos dois cenários. Adicionalmente, é solicitada a análise dos resultados obtidos para cada LSP. Solicita-se, também, que o aluno análise as vantagens de se utilizar MPLS na rede. Como resultado, os alunos aprendem como e onde a tecnologia MPLS pode ser empregada para melhorar o Gerenciamento de Tráfego na rede.

Terceira Experiência

Esta experiência tem por objetivo montar o terceiro cenário e analisar a tecnologia DiffServ, que será utilizada para melhorar o suporte à QoS na rede. Aliado ao DiffServ tem-se o escalonamento WFQ. As principais atividades realizadas nesta experiência são: • Duplicação do Segundo Cenário: O terceiro cenário é

construído a partir da duplicação do segundo. Assim sendo, todos os modelos e configurações deste cenário são levados ao cenário 3.

• Configuração do Perfil de Escalonamento: Nesta atividade, é configurado o perfil de escalonamento que será utilizado nas interfaces dos roteadores da rede. Utiliza-se o perfil WFQ. Além disto, define-se que o esquema de pesos do escalonador será baseado no campo DSCP do DiffServ. Pede-se que os estudantes expliquem quais são as vantagens do WFQ sobre o FCFS. Ao final desta atividade, os participantes aprendem quais são os parâmetros típicos de um escalonador WFQ, bem como o código DSCP pode ser utilizado para classificar tráfego no escalonador.

• Configuração dos LERs e LSRs: Uma vez configurado o perfil de escalonamento, este perfil é aplicado a todos os roteadores da rede.

• Execução da Simulação: A simulação deve ser executada por 5 minutos.

• Analise dos Resultados: As mesmas análises solicitadas na primeira e segunda experiências são repetidas. Entretanto, pede-se aos estudantes que comparem os resultados obtidos nos três cenários. Também, é solicitada a análise dos resultados obtidos para cada LSP. Por fim, pede-se que o aluno análise as vantagens de se utilizar DiffServ na rede e compare com o cenário anterior. Como resultado, os alunos aprendem como e onde as tecnologias DiffServ e WFQ podem ser empregadas para melhorar o suporte à QoS na rede.

RESULTADOS DAS EXPERIÊNCIAS

A FIGURA 2 e a FIGURA 3 mostram o atraso médio, fim-a-fim, na rede, para as aplicações de Voz e Videoconferência, respectivamente.

FIGURA 2. ATRASO: APLICAÇÕES DE VOZ.

FIGURA 3. ATRASO: APLICAÇÕES DE VIDEOCONFERÊNCIA.

FIGURA 4. ATRASO: APLICAÇÕES HTTP.

Pode-se observar que com a utilização do MPLS, ocorre uma redução do atraso para ambas. Entretanto, o valor de atraso ainda está bastante alto para uma aplicação em tempo real. Já com o uso do DiffServ e WFQ, o atraso é reduzido drasticamente. A FIGURA 4 mostra o atraso, fim-a-fim, para as aplicações HTTP, em média, na rede. Observa-se que com o uso de MPLS e/ou DiffServ o atraso torna-se maior do que em uma rede IP simples. Entretanto, este atraso pode ser tolerado pelas aplicações non-real time.

CONSIDERAÇÕES FINAIS

A partir dos resultados obtidos, percebe-se que com o uso do MPLS, é possível se fazer a engenharia de tráfego na rede (organização do tráfego) e, com isto, melhorar as métricas de desempenho. Com o uso do DiffServ, junto com o escalonador WFQ e do mapeamento das classes de serviço para MPLS, pode-se modificar o escalonamento e reserva de recursos nas filas dos roteadores, estabelecendo-se níveis de prioridades, o que melhora o desempenho da rede para aplicações real time. Observa-se ainda, que a ferramenta OPNET, junto com os cenários estudados, fornecem uma base para que os estudantes estejam aptos a analisar, planejar e implantar uma rede IP com suporte à QoS, bem como avaliar o desempenho dos diversos serviços oferecidos. Como melhorias ao trabalho, pretende-se incluir a alocação dinâmica de LSPs usando LDP (Label Distribution Protocol) e o roteamento com restrições.

REFERÊNCIAS

[1] Wang, Zheng, “Internet QoS Architectures and Mechanisms for Quality of Service”, Morgan Kaufmann, 1st edition, 2001.

[2] Internet Engineering Task Force IETF. http://www.ietf.org.

[3] IETF, “Multiprotocol Label Switching Architecture”, RFC-3031, 2001.

[4] Tanenbaum, Andrew S., "Redes de Computadores", 4ª Edição, Editora Érica.

[5] Blake S., Black D., Carlson M., Davies E., Wang Z., Weiss W. "An Architecture for Differentiated Services", RFC 2475, December, 1998.

[6] OPNET Technologies, Inc., “OPNET Modeler Brochure”, http://www.opnet.com/products/brochures/Modeler.pdf.

[7] OPNET Technologies, Inc., “Modeler Product Documentation 10.5: MPLS Model User Guide”.

[8] OPNET Technologies, Inc., “OPNET Modeler Product Documentation 10.5: Adding QoS Services to an MPLS-Enabled Network”.

[9] Giroux, N., Ganti, S., “Quality of Service in ATM Networks: State-of-Art Traffic Management”, Prentice Hall, 1998.