Ampliación Redes 4-1 Tema 4 Calidad de Servicio (QoS)

Ampliación Redes 4-2 Sumario Concepto de Calidad de Servicio Calidad de servicio en LANs Calidad de Servicio en Internet –Modelo IntServ y protocolo RSVP –Modelo DiffServ Control de congestión en Internet MPLS

Ampliación Redes 4-3 Requerimientos de Calidad de Servicio de las aplicaciones AplicaciónFiabilidadRetardoJitterAncho de Banda Correo electrónicoAlta (*)Alto Bajo Transferencia de ficherosAlta (*)Alto Medio Acceso WebAlta (*)MedioAltoMedio Login remotoAlta (*)Medio Bajo Audio bajo demandaMediaAltoMedio Vídeo bajo demandaMediaAltoMedioAlto TelefoníaMediaBajo VídeoconferenciaMediaBajo Alto (*) La fiabilidad alta en estas aplicaciones se consigue automáticamente al utilizar el protocolo de transporte TCP

Ampliación Redes 4-4 Congestión y Calidad de Servicio Sería muy fácil dar Calidad de Servicio si las redes nunca se congestionaran. Para ello habría que sobredimensionar todos los enlaces, cosa no siempre posible o deseable. Para dar QoS con congestión es preciso tener mecanismos que permitan dar un trato distinto al tráfico preferente y cumplir el SLA (Service Level Agreement).

Ampliación Redes 4-5 Carga Rendimiento Sin Congestión Fuerte Congestión Moderada Efectos de la congestión en el tiempo de servicio y el rendimiento Sin Congestión Fuerte Congestión Moderada Tiempo de Servicio Carga QoS útil y viable QoS inútilQoS inviableQoS útil y viable QoS inútilQoS inviable

Ampliación Redes 4-6 Calidad de Servicio (QoS) Decimos que una red o un proveedor ofrece ‘Calidad de Servicio’ o QoS (Quality of Service) cuando se garantiza el valor de uno o varios de los parámetros que definen la calidad de servicio que ofrece la red. Si el proveedor no se compromete en ningún parámetro decimos que lo que ofrece un servicio ‘best effort’. El contrato que especifica los parámetros de QoS acordados entre el proveedor y el usuario (cliente) se denomina SLA (Service Level Agreement)

Ampliación Redes 4-7 Parámetros típicos de los SLAs ParámetroSignificadoEjemplo DisponibilidadTiempo mínimo que el operador asegura que la red estará en funcionamiento 99,9% Ancho de Banda Indica el ancho de banda mínimo que el operador garantiza al usuario dentro de su red 2 Mb/s Pérdida de paquetes Máximo de paquetes perdidos (siempre y cuando el usuario no exceda el caudal garantizado) 0,1% Round Trip Delay El retardo de ida y vuelta medio de los paquetes80 mseg JitterLa fluctuación que se puede producir en el retardo de ida y vuelta medio  20 mseg

Ampliación Redes 4-8 Fluctuación del retardo—“Jitter” t t Emisor Transmite Receptor Recibe A A B B C C A A B B C C 50 ms EmisorReceptor Red 50 ms90 ms Congestión Retardo: 70 ms  20 ms (retardo: 70 ms, jitter: 40 ms) Red vacía

Ampliación Redes 4-9 Jitter Retardo medio Datagramas considerados perdidos por haberse entregado demasiado tarde Retardo mínimo El tiempo mínimo de propagación depende de las características físicas de la red Relación entre la probabilidad de llegada de los datagramas y los parámetros del SLA Probabilidad Tiempo

Ampliación Redes 4-10 Reducción del Jitter La principal causa de jitter es la congestión Se puede reducir el jitter añadiendo un retardo adicional en el lado del receptor. Por ejemplo con un retardo de 70  20 ms se puede asegurar jitter 0 si se añade un retardo de 40 ms (90  0 ms). Para el retardo adicional el receptor ha de tener un buffer suficientemente grande. En algunas aplicaciones no es posible añadir mucho retardo pues esto reduce la interactividad. Ej.: videoconferencia, telefonía por Internet

Ampliación Redes 4-11 Calidad de Servicio: ¿Reserva o Prioridad? Existen dos posibles estrategias para dar trato preferente a un usuario en una red: –Carril BUS: reservar capacidad para su uso exclusivo. A veces se denomina ‘QoS hard’. Ej.: VCs ATM con categoría de servicio CBR –Ambulancia: darle mayor prioridad que a otros usuarios. A veces se denomina ‘QoS soft’. Ejemplo: Token Ring Cada una tiene ventajas e inconvenientes.

Ampliación Redes 4-12 ¿Reserva o Prioridad? VentajasInconvenientes ReservaDa una garantía casi total Los paquetes no necesitan llevar ninguna marca que indique como han de ser tratados, la información la tienen los routers Requiere mantener información de estado en todos los routers por lo que pasa la comunicación Se requiere un protocolo de señalización para efectuar la reserva en todo el trayecto PrioridadLos routers no necesitan conservar información de estado. Los paquetes han de ir marcados con la prioridad que les corresponde La garantía se basa en factores estadísticos, es menos segura que la reserva de recursos (puede haber overbooking)

Ampliación Redes 4-14 QoS en LANs Desarrollos en 802.1p y 802.1Q Campo prioridad de tres bits. Hasta ocho niveles posibles. Similar al campo prioridad de Token Ring, pero incompatible. No se ha extendido su uso. Dudosa utilidad dada la posibilidad de sobredimensionar a bajo costo Necesidad de acompañarlo de políticas de uso (sistema de contabilidad/facturación).

Ampliación Redes 4-15 Dir. MAC Destino Dir. MAC Origen Ethertype/ LongitudDatos Relleno (opcional)CRC Etiquetado de tramas según 802.1Q Dir. MAC Destino Dir. MAC Origen X’8100’TagEthertype/ LongitudDatos Relleno (opcional)CRC Trama 802.3 Trama 802.1Q PriCFIVLAN Ident. El Ethertype X’8100’ indica ‘protocolo’ VLAN Bits1312 Pri: Prioridad (8 niveles posibles) CFI: Canonical Format Indicator (indica formato de direcciones MAC) VLAN Ident.: Identificador VLAN (máximo 4096 en una misma red)

Ampliación Redes 4-17 Calidad de Servicio en Internet La congestión y la falta de QoS es el principal problema de Internet actualmente. TCP/IP fue diseñado para dar un servicio ‘best effort’. Existen aplicaciones que no pueden funcionar en una red congestionada con ‘best effort’. Ej.: videoconferencia, VoIP (Voice Over IP), etc. Se han hecho modificaciones a IP para que pueda funcionar como una red con QoS

Ampliación Redes 4-18 “El Santo Grial de las redes de computadores es diseñar una red que tenga la flexibilidad y el bajo costo de la Internet, pero que ofrezca las garantías de calidad de servicio extremo a extremo de la red telefónica.” S. Keshav: 'An Engineering Approach to Computer Networking‘, 1997 Calidad de Servicio en Internet

Ampliación Redes 4-19 Calidad de servicio en Internet Se han desarrollado y estandarizado los dos mecanismos de QoS, reserva y prioridad: –IntServ (Integrated Services) y protocolo RSVP. El usuario solicita de antemano los recursos que necesita; cada router del trayecto ha de tomar nota y efectuar la reserva solicitada. –DiffServ (Differentiated Services). El usuario marca los paquetes con un determinado nivel de prioridad; los routers van agregando las demandas de los usuarios y propagándolas por el trayecto. Esto le da al usuario una confianza razonable de conseguir la QoS solicitada. Ambos son compatibles y pueden coexistir

Ampliación Redes 4-21 Clasificación de las aplicaciones en IntServ (Integrated Services) Tolerantes a pérdidasIntolerantes a pérdidas ElásticasDatos UDP: DNS, SNMP, NTP, etc. Datos sobre TCP: FTP, Web,e-mail, etc. Tiempo Real Flujos Multimedia en modo ‘streaming’, videoconferencia, telefonía sobre Internet, etc. Emulación de circuitos (simulación de líneas dedicadas)

Ampliación Redes 4-22 Tipos de servicio en IntServ ServicioCaracterísticasEquivalencia en ATM GarantizadoGarantiza un caudal mínimo y un retardo máximo Cada router del trayecto debe dar garantías A veces no puede implementarse por limitaciones del medio físico (Ej. Ethernet compartida CBR VBR-rt Carga Controlada (‘Controlled Load’) Calidad similar a la de una red de datagramas poco cargada Se supone que el retardo es bajo, pero no se dan garantías VBR-nrt ‘Best Effort’Ninguna garantía (como antes sin QoS)UBR

Ampliación Redes 4-23 Garantizado Carga controlada Best Effort Caudal  Reparto de recursos en IntServ Tiempo 

Ampliación Redes 4-24 IntServ y RSVP Para ofrecer QoS IntServ se basa en la reserva previa de recursos en todo el trayecto Para esa reserva se emplea el protocolo RSVP (Resource ReserVation Protocol) muy relacionado con el modelo IntServ Se supone que la reserva permitirá asegurar la QoS solicitada (siempre y cuando la red tenga aún recursos suficientes) Normalmente la reserva se realiza para una secuencia de datagramas relacionados entre sí, que es lo que llamamos un flujo.

Ampliación Redes 4-25 Concepto de flujo Un flujo es una secuencia de datagramas que se produce como resultado de una acción del usuario y requiere la misma QoS Un flujo es simplex (unidireccional) Un flujo es la entidad más pequeña a la que los routers pueden aplicar una determinada QoS Ejemplo: una videoconferencia estaría formada por cuatro flujos, dos en cada sentido, uno para el audio y otro para el vídeo. Los flujos pueden agruparse en clases; todos los flujos dentro de una misma clase reciben la misma QoS.

Ampliación Redes 4-26 A 147.156.135.22 B 158.42.35.13 Flujo vídeo A->B: 147.156.135.22:2056 -> 158.42.35.13:4065 Flujo audio A->B: 147.156.135.22:3567 -> 158.42.35.13:2843 Flujo vídeo B->A: 158.42.35.13:1734 -> 147.156.135.22:6846 Flujo vídeo B->A: 158.42.35.13:2492 -> 147.156.135.22:5387 Flujos en una videoconferencia

Ampliación Redes 4-27 Vídeo 128 Kb/s IP: 147.156.21.20 Puerto UDP: 2038 Vídeo 256 Kb/s IP: 147.156. 47.12 Puerto UDP: 3124 IP: 158.26.36.97 Puerto UDP: 5753 IP: 158.26.112.76 Puerto UDP: 2127 Flujo ‘rojo’ (128 Kb/s): 147.156.21.20:2038  158.26.112.76:2127 Flujo ‘verde’ (256 Kb/s): 147.156.47.12:3124  158.26.36.97:5753 Reserva total flujos de vídeo: en sentido X  Y: 384 Kb/s XY Agrupación de flujos

Ampliación Redes 4-28 Identificación de flujos En IPv4 se hace por: –Dirección IP de origen –Puerto de origen –Dirección IP de destino –Puerto de destino –Protocolo de transporte utilizado (TCP o UDP) En IPv6 la identificación puede hacerse como en IPv4 o alternativamente usando el campo ‘etiqueta de flujo’ en vez de los números de puertos. Aún no hay ninguna implementación de RSVP que utilice la etiqueta de flujo.

Ampliación Redes 4-29 ¿Que es RSVP? Reserva la capacidad solicitada por un flujo en todos los routers del camino. Es un protocolo de señalización (como el utilizado para establecer SVCs en ATM). Requiere guardar información de estado en todos los routers del trayecto. Es un servicio orientado a conexión. Está pensado principalmente para tráfico multicast No es un protocolo de routing (de eso se ocupará OSPF, IS-IS, PIM-SM, etc.

Ampliación Redes 4-30 Componentes de RSVP Para implementar RSVP los routers han de incorporar cuatro elementos: – Admission Control: comprueba si la red tiene los recursos suficientes para satisfacer la petición. Equivalente al CAC (Connection Admission Control) de ATM. –Policy Control: determina si el usuario tiene los permisos adecuados para la petición realizada (por ejemplo si tiene crédito disponible). La comprobación se puede realizar consultando una base de datos mediante el protocolo COPS (Common Open Policy Service) –Packet Classifier: clasifica los paquetes en categorías de acuerdo con la QoS a la que pertenecen. Cada categoría tendrá una cola y un espacio propio para buffers en el router. –Packet Scheduler: organiza el envío de los paquetes dentro de cada categoría (cada cola).

Ampliación Redes 4-31 RSVP (Cont.) RSVP reserva la capacidad solicitada en todos los routers del camino. Cada router ha de mantener el detalle de todas las conexiones activas que pasan por él, y los recursos que cada una ha reservado. El router mantiene información de estado sobre cada flujo que pasa por él. Si no se pueden asegurar las condiciones pedidas se rechaza la llamada (control de admisión)

Ampliación Redes 4-32 Problemas de IntServ/RSVP RSVP produjo una euforia inicial (1996- 1997) que luego dió paso a la decepción. La razón principal fueron problemas de escalabilidad debidos a la necesidad de mantener información de estado en cada router. Esto hace inviable usar RSVP en grandes redes, por ejemplo en el ‘core’ de Internet.

Ampliación Redes 4-33 Problema de escalabilidad de RSVP Estos routers han de mantener información sobre muchos flujos y por tanto mucha información de estado ‘Core’ de Internet

Ampliación Redes 4-34 Problemas de IntServ/RSVP Los fabricantes de routers no han desarrollado implementaciones eficientes de RSVP, debido al elevado costo que tiene implementar en hardware las funciones de mantenimiento de la información de estado. A pesar de todo RSVP/IntServ puede desempeñar un papel en la red de acceso, donde los enlaces son de baja capacidad y los routers soportan pocos flujos. Recientemente ha resurgido el interés por RSVP por su aplicación en MPLS y funciones de ingeniería de tráfico. En estos casos el número de flujos no suele ser muy grande

Ampliación Redes 4-35 Emisor (flujo de 1,5 Mb/s) Receptor Funcionamiento de RSVP en Multicast Las reservas se agregan a medida que ascienden en el árbol multicast. Así se optimiza el uso de la red (solo se reserva una vez en cada tramo). 1,5 Mb/s

Ampliación Redes 4-36 Problemas de RSVP en Multicast La combinación de Multicast y RSVP plantea algunos problemas no resueltos, por ejemplo: –¿Por cuenta de que receptor se efectúa el Policy Control en la parte común del árbol? Si se concede la reserva al primer solicitante, ¿que pasa cuando ese se borra del grupo y quedan otros suscritos? Si no se le concede al primero, ¿que pasa si luego se le concede a otro solicitante? –Suponiendo que se cobre por el servicio ¿A quién se le factura el uso de la parte común? ¿se prorratea entre todos los usuarios activos en ese momento? Eso significa que el precio cambiará con el uso.

Ampliación Redes 4-37 RFCs sobre IntServ/RSVP RFC 1633 (6/1994): Integrated Services in the Internet Architecture: an Overview RFC 2205 (9/1997): RSVP Version 1 Functional Specification RFC 2206 (9/1997): RSVP MIB using SMIv2 RFC 2207 (9/1997): RSVP Extensions for IPSEC Data Flows RFC 2208 (9/1997): RSVP Version 1 Applicability Statement Some Guidelines on Deployment RFC 2209 (9/1997): RSVP Version 1 Message Processing Rules RFC 2210 (9/1997): The Use of RSVP with IETF Integrated Services RFC 2211 (9/1997): Servicio de carga controlada RFC 2212 (9/1997): Servicio Garantizado RFC 2213 (9/1997): Integrated Services Management Information Base Using SMIv2 RFC 2214 (9/1997): Integrated Services MIB Guaranteed Service Extensions using SMIv2 RFC 2215 (9/1997): General Characterization Parameters for Integrated Services RFC 2379 (8/1998): RSVP over ATM Implementation Guidelines RFC 2380 (8/1998): RSVP over ATM Implementation Requirements RFC 2382 (8/1998): A Framework for Integrated Services and RSVP over ATM RFC 2490 (1/1999): A Simulation Model for IP Multicast with RSVP RFC 2688 (9/1997): Integrated Services Mappings for Low Speed Networks RFC 2689 (9/1999): Providing Integrated Services over Low-bitrate Links RFC 2745 (1/2000): RSVP Diagnostic Messages RFC 2746 (1/2000): RSVP Operation over IP Tunnels RFC 2747 (1/2000): RSVP Cryptographic Authentication RFC 2748 (1/2000): The COPS (Common Open Policy Service) Protocol RFC 2749 (1/2000): COPS usage for RSVP RFC 2750 (1/2000): RSVP Extensions for Policy Control RFC 2752 (1/2000): Identity Representation for RSVP RFC 2814 (5/2000): Subnet Bandwidth Manager (para RSVP Admis. Ctrl) RFC 2815 (5/2000): Integrated Service Mappings on IEEE 802 Networks RFC 2816 (5/2000): A Framework for Integrated Services Over Shared and Switched IEEE 802 LAN Technologies RFC 2872 (6/2000): Appl. and Sub Appl. Ident. Policy Elem. for RSVP RFC 2961 (4/2001): RSVP Refresh Overhead Reduction Extensions RFC 2996 (11/2000): Format of the RSVP DCLASS Object RFC 2998 (11/2000): A Framework for Integarted Services Operation over Diffserv Networks RFC 3006 (11/2000): Integrated Services in the Presence of Compressible Flows RFC 3097 (4/2001): RSVP Cryptographic Authentication RFC 3175 (9/2001): Aggregation of RSVP for IPv4 and IPv6 Reservations RFC 3182 (10/2001): Identity Representation for RSVP RFC 3209 (12/2001): RSVP-TE: Extensions to RSVP for LSP Tunnels RFC 3210 (12/2001): Applicability Statement for Extensions to RSVP for LSP-Tunnels

Ampliación Redes 4-39 Modelo DiffServ (Differentiated Services) Intenta evitar los problemas de escalabilidad que plantea IntServ/RSVP. Se basa en el marcado de paquetes únicamente. No hay reserva de recursos por flujo, no hay protocolo de señalización, no hay información de estado en los routers. Las garantías de calidad de servicio no son tan severas como en IntServ pero en muchos casos se consideran suficientes.

Ampliación Redes 4-40 DiffServ En vez de distinguir flujos individuales clasifica los paquetes en categorías (según el tipo de servicio solicitado). A cada categoría le corresponde un SLA (Service Level Agreement). Los usuarios pueden contratar o solicitar un determinado caudal en la categoría que deseen. Los routers tratan cada paquete según su categoría (que viene marcada en la cabecera del paquete). El Policy Control/Admission Control sólo se ha de efectuar en los routers de entrada a la red del proveedor y en los que atraviesan fronteras entre proveedores diferentes (normalmente en las fronteras entre sistemas autónomos).

Ampliación Redes 4-41 DiffServ La información se puede sumarizar fácilmente ya que todos los flujos quedan clasificados en alguna de las categorías existentes. El número de categorías posibles es limitado e independiente del número de flujos o usuarios; por tanto la complejidad es constante, no proporcional al número de usuarios (decimos que la arquitectura es ‘escalable’, o que ‘escala bien’). La información de QoS no está en los routers sino que cabalga ‘montada’ en los datagramas.

Ampliación Redes 4-42 Cabecera IPv4 antes de DiffServ Cabecera IPv4 con DiffServ (RFC2474, 12/1998)

Ampliación Redes 4-43 Campo TOS (obsoleto) Precedencia: prioridad (ocho niveles) D,T,R,C: flags para indicar la ruta que se quiere utilizar: –D: Delay (mínimo retardo) –T: Throughput (máximo rendimiento) –R: Reliability (máxima fiabilidad) –C: Cost (mínimo costo) X: bit reservado Precedencia Campo TOS DTRC X

Ampliación Redes 4-44 Campo DS (RFC 2474) DSCP: Differentiated Services CodePoint. Seis bits que indican el tratamiento que debe recibir este paquete en los routers CU: Currently Unused (reservado). Este campo se utiliza actualmente para control de congestión DSCPCU Campo DS

Ampliación Redes 4-45 Campo DS en IPv6 El campo DS, con igual longitud y formato que en IPv4, se coloca en IPv6 sustituyendo al campo prioridad (de 4 bits) y a los cuatro primeros bits del campo ‘etiqueta de flujo’ que se reduce de 24 a 20 bits. Los cambios no produjeron problemas ya que ninguno de los dos campos (prioridad ni etiqueta de flujo) se había utilizado.

Ampliación Redes 4-46 Cabecera IPv6 antes de DiffServ (RFC 1883) Cabecera IPv6 con DiffServ (RFC2474, 12/1998)

Ampliación Redes 4-47 DSCPCU PrecedenciaDTRC X Prioridad Etiq. de Flujo (1-4) IPv4 Antes IPv6 Antes IPv4 e IPv6 Ahora Aparición del campo DS en IPv4 e IPv6 Los tres primeros bits se interpretan como prioridad en todos los casos

Ampliación Redes 4-48 Campo DSCP 6 bits = 64 ‘codepoints’ (categorías de tráfico) diferentes. De momento se han dividido en 3 grupos: CodepointValoresUso xxxyy032Estándar xxxx1116Local/experimental xxxx0116Reservado En el grupo estándar los tres primeros bits (xxx) indican la clase

Ampliación Redes 4-49 Tipos de Servicio en DiffServ ServicioCaracterísticasEquivalencia en ATM ‘Expedited Forwarding’ o ‘Premium’ Es el que da más garantías. Equivale a una línea dedicada Garantiza Caudal, tasa de pérdidas, retardo y jitter Valor 101110 en DSCP CBR VBR-rt ‘Assured Forwarding’ Asegura un trato preferente, pero sin fijar garantías (no hay SLA) Se definen cuatro clases y en cada una tres niveles de descarte de paquetes VBR-nrt ‘Best Effort’ con prioridad Sin garantías, pero obtendrá trato preferente frente a ‘best effort sin prioridad’ ABR ‘Best Effort’ sin prioridad Ninguna garantía, obtiene solo las migajasUBR

Ampliación Redes 4-50 Expedited Forwarding o Premium Assured Forwarding Best Effort sin prioridad Caudal  Reparto de recursos en DiffServ Tiempo  Best Effort con prioridad

Ampliación Redes 4-51 Servicio EF (Expedited Forwarding, RFC2598) Es el que da más seguridad (‘virtual leased line’). Ofrece un SLA (Service Level Agreement) que garantiza: – Un caudal mínimo – Una tasa máxima de pérdida de paquetes – Un retardo máximo – Un jitter máximo El valor DSCP es “101110”

Ampliación Redes 4-52 Servicio AF (Assured Forwarding, RFC2597) Asegura un trato preferente, pero no garantiza caudales, retardos, etc. Se definen cuatro clases, pudiéndose asignar una cantidad de recursos (ancho de banda y espacio en buffers) diferente a cada una. En cada clase se definen tres categorías de descarte de paquetes (alta, media y baja). DSCP: ‘cccdd0’ (ccc = clase, dd = descarte)

Ampliación Redes 4-53 Codepoints del Servicio AF (RFC2597) Precedencia de descarte ‘dd’ Clase ‘ccc’ Baja ’01’ Media ’10’ Alta ’11’ 4 ‘100’ 100011001010011 3 ‘011’ 011010111001111 2 ‘010’ 010010101001011 1 ‘001’ 001010011000111 Mayor prioridad Menor prioridad Mayor probabilidad de descarte Menor probabilidad de descarte

Ampliación Redes 4-54 Traffic Policing en Servicio AF En el servicio AF el usuario puede contratar con el ISP un caudal para una clase determinada. El ISP puede aplicar ‘traffic policing’ sobre el tráfico del usuario y si se excede jugar con los bits de precedencia de descarte, usándolos de forma parecida al bit DE de Frame Relay o al CLP de ATM. En DiffServ se pueden fijar tres categorías, en función de lo ‘gorda’ que sea la infracción.

Ampliación Redes 4-55 Otros ‘codepoints’ Las clases 111 y 110 están reservadas para paquetes de control de la red y protocolos de routing El DSCP ‘000000’ es por defecto el servicio Best Effort sin prioridad. Otros DSCP de la clase 000 pueden usarse para servicios Best Effort con prioridad.

Ampliación Redes 4-56 111110Reservado (routing y control) 111100Reservado (routing y control) 111010Reservado (routing y control) 111000Reservado (routing y control) 110110Reservado (routing y control) 110100Reservado (routing y control) 110010Reservado (routing y control) 110000Reservado (routing y control) 101110Expedited (Premium) 101100Configurable por el usuario 101010Configurable por el usuario 101000Configurable por el usuario 100110Assured Clase 4 Preced. Alta 100100Assured Clase 4 Preced. Media 100010Assured Clase 4 Preced. Baja 100000Configurable por el usuario 011110Assured Clase 3 Preced. Alta 011100Assured Clase 3 Preced. Media 011010Assured Clase 3 Preced. Baja 011000Configurable por el usuario 010110Assured Clase 2 Preced. Alta 010100Assured Clase 2 Preced. Media 010010Assured Clase 2 Preced. Baja 010000Configurable por el usuario 001110Assured Clase 1 Preced. Alta 001100Assured Clase 1 Preced. Media 001010Assured Clase 1 Preced. Baja 001000Configurable por el usuario 000110Configurable por el usuario 000100Configurable por el usuario 000010Configurable por el usuario 000000Best Effort (default) Valores de ‘codepoint’, campo DSCP

Ampliación Redes 4-57 Implementación de DiffServ en los routers Identificar y separar tráfico en las diferentes clases Descartar tráfico que se comporta mal para garantizar la integridad de la red Marcar tráfico, si es necesario. Asigna al DSCP el valor que corresponde Priorizar, proteger y aislar tráfico Controlar ráfagas y conformar tráfico

Ampliación Redes 4-58 Encolamiento de paquetes en los routers Cola ‘Expedited’ Cola ‘Assured 4’ Cola ‘Assured 3’ Cola ‘Assured 2’ Cola ‘Assured 1’ Cola ‘Best Effort’ PQ WFQ FWFQ Línea de salida

Ampliación Redes 4-59 DiffServ La información necesaria para aplicar el Policy Control y Administrative Control es mantenida para toda la red por un elemento denominado el Bandwidth Broker (BB). El BB es el encargado de realizar todos los controles administrativos y gestionar los recursos de red disponibles. El BB puede intercambiar información con otros BB de otras redes. Los ISPs pueden acordar políticas de intercambio mutuo.

Ampliación Redes 4-60 Arquitectura DiffServ Router periférico (controlar, marcar flujos) Router fronterizo entrante (classificar, controlar, marcar aggregados) Router fronterizo saliente (dosificar agregados) Routers ‘core’ Routers ‘core’ Bandwidth Brokers (control de admisión, gestionar recursos de red, configurar routers periféricos y fronterizos) BB Origen Destino Controlar = traffic policing Dosificar = traffic shaping AS ISP 1 AS ISP 2

Ampliación Redes 4-61 RFCs Modelo Diffserv RFC 2430 (10/1998): A Provider Architecture for DiffServ and Traffic Eng. RFC 2474 (12/1998): Definition of the DS field in the IPv4 and IPv6 Headers RFC 2475 (12/1998): An Architecture for Differentiated Service RFC 2597 (6/1999): Servicio Expedited Forwarding RFC 2598 (6/1999): Servicio Assured Forwarding RFC 2638 (7/1999): A Two-bit DiffServ Architecture for the Internet RFC 2963 (10/2000): A Rate Adaptive Shaper for Differentiated Services RFC 2983 (10/2000) Differentiated Services and Tunnels RFC 3086 (4/2001): Def. of DiffServ Per Domain Behaviors & Rules for Spec. RFC 3270 (5/2002): MPLS Support of DiffServ RFC 3287 (7/2002): Remote Monitoring MIB Extensions for DiffServ RFC 3289 (5/2002): Management Information Base for the DiffServ Architect.

Ampliación Redes 4-62 IntServ vs DiffServ IntServ fue desarrollado con anterioridad a DiffServ. Sin embargo DiffServ se ha extendido más que IntServ DiffServ permite agregar flujos, el modelo es escalable. Debido a estas diferencias muchos fabricantes de routers implementan versiones eficientes de DiffServ, pero no de IntServ. Actualmente muchos ISP implementan DiffServ. Qbone (red expermiental de QoS en Internet 2) utiliza el modelo DiffServ.

Ampliación Redes 4-63 RSVP/IntServ RSVP/IntServ vs DiffServ BB Información por flujo en cada router Problemas de escalabilidad Énfasis en multicast DiffServ Cada red tiene un BB que gestiona sus recursos Recursos controlados en punto de acceso Paquetes clasificados por categorías Enfocado a tráfico agregado, no a flujos

Ampliación Redes 4-64 Combinación de RSVP y DiffServ En la periferia de la red el uso de RSVP no plantea problemas y puede ser necesaria la reserva estricta de recursos. En este caso el router que conecta con el core ‘traducirá’ la petición al servicio DiffServ más parecido. DiffServ RSVP

Ampliación Redes 4-65 Referencias QoS ‘Quality of Service-Fact or Fiction?’ Geoff Huston, Internet Protocol Journal Vol. 3 Nº 1. http://www.cisco.com/warp/public/759/ipj_3-1/ipj_3- 1_qos.html http://www.cisco.com/warp/public/759/ipj_3-1/ipj_3- 1_qos.html Intserv: http://www.ietf.org/html.charters/intserv-charter.htmlhttp://www.ietf.org/html.charters/intserv-charter.html RSVP: http://www.ietf.org/html.charters/rsvp-charter.html. Ver también: http://www.isi.edu/rsvp/pub.htmlhttp://www.ietf.org/html.charters/rsvp-charter.htmlhttp://www.isi.edu/rsvp/pub.html Diffserv: http://www.ietf.org/html.charters/diffserv-charter.htmlhttp://www.ietf.org/html.charters/diffserv-charter.html Grupo de Trabajo QoS Internet2: http://www.internet2.edu/qos/wg http://www.internet2.edu/qos/wg Qbone: http://qbone.internet2.eduhttp://qbone.internet2.edu B. Teitelbaum: ‘Internet 2 Qbone: A Test Bed for Differentiated Services’, http://www.isoc.org/inet99/proceedings/4f/4f_1.htmhttp://www.isoc.org/inet99/proceedings/4f/4f_1.htm Proyecto Quantum: http://www.dante.net/quantumhttp://www.dante.net/quantum

Ampliación Redes 4-67 Control de congestión en Internet El mecanismo tradicional de control de congestión en IP es el control que ejerce TCP por medio del ‘slow-start’. Este mecanismo solo actúa cuando ya se ha perdido algún paquete Cuando los routers empiezan a descartar por llenado de buffers suelen descartar todos los paquetes que les llegan. Esto hace que todas las sesiones TCP ejecuten el ‘slow- start’ y se cae en un comportamiento oscilante. El rendimiento es malo. Se ha visto que el rendimiento global mejora si se descartan algunos paquetes (al azar) bastante antes de llenar los buffers. Esto obliga a algunas sesiones a realizar el slow-start, pero no todas a la vez. Esto se conoce como RED (Random Early Detect o Random Early Discard)

Ampliación Redes 4-68 Mecanismos de Control de Congestión en Internet MecanismoConsiste en:Aplicado a nivel de: Slow StartCuando un host detecta pérdidas reduce el ritmo y se autocontrola. Transporte (TCP) RED (Random Early Detect) Cuando los routers detectan congestión descartan paquetes al azar. Los hosts reducen el ritmo. Red (IP) ECN (Explicit Congestion Notification) Cuando los routers detectan congestión notifican a los hosts para que reduzcan el ritmo. Red (IP) y Transporte (TCP)

Ampliación Redes 4-69 ECN en Internet El RFC 2481(1/1999) definió el uso de los dos bits libres del campo DS para el subcampo ECN (Explicit Congestion Notification). También se añadieron dos flags en la cabecera TCP. Se especificó como un protocolo ‘Experimental’ El RFC 3168 (7/2001) deja obsoleto al RFC 2481, eleva el ECN al status de ‘Standards Track’ y aclara algunos puntos Ya hay algunas implementaciones de ECN (Linux)

Ampliación Redes 4-70 DSCP Campo ECN en IP (RFC 3168) ECN ECNSignificado 00El Host emisor no soporta ECN. 01El Host emisor soporta ECN (caso alternativo). 10El Host emisor soporta ECN (caso normal). 11El Host soporta ECN. La red ha marcado congestión.

Ampliación Redes 4-71 Long. Cabecera ReservadoCWRCWR ECEECE URGURG ACKACK PSHPSH RSTRST SYNSYN FINFIN Formato de los bytes 13 y 14 en la cabecera TCP Antes de ECN: Long. Cabecera ReservadoURGURG ACKACK PSHPSH RSTRST SYNSYN FINFIN 4 bits6 bits 4 bits Después de ECN: CWR: Congestion Window Reduced ECE: ECN Echo 6 bits 8 bits Flags

Ampliación Redes 4-72 1 1: A envía un paquete a B IP: ECN = ’10’ TCP: CWR = 0, ECE = 0 A 2 2: Router Y recibe el paquete, detecta congestión y cambia ECN IP: ECN = ’11’ B X YZ 3 3: B recibe el paquete y detecta que ha habido congestión en el camino (ECN = ’11’) 4 4: TCP de B envía paquete de aviso a A IP: ECN = ’10’ TCP: CWR = 0, ECE = 1 5 5: A recibe aviso de B (ECE = 1) 6 6: TCP de A reduce su ventana y envía confirmación a B indicando que ha recibido el aviso IP: ECN = ’10’ TCP: CWR = 1, ECE = 0 7 7: B recibe confirmación (CWR = 1) y se queda tranquilo (sabe que no ha de insistir con ECE = 1) Funcionamiento de IP y TCP con ECN

Ampliación Redes 4-73 1 1: A envía paquete a B IP: ECN = ’10’ TCP: CWR = 0, ECE = 0 A 2 2: Router X pone ECN = ’00’ y lo envía B X YZ 3 3: Router Z recibe paquete, pone ECN = ’10’ y lo envía a B Host B nunca detecta congestión, por tanto nunca pone a 1 flag ECE ECN en una red que ‘engaña’ al host Router frontera de ISP Cuando router Y sufra congestión descartará paquetes (nunca cambiará ECN pues la red no lo soporta) Red del ISP

Ampliación Redes 4-74 ECN alternativo El caso alternativo funciona igual, salvo que el host pone el segundo bit y el router el primero Con dos posibles maneras de marcar el soporte de congestión en el host resulta mucho más difícil para el ISP engañar al usuario Por ejemplo en el caso anterior el router Z no sabe si ha de restaurar el ECN ’10’ o el ’01’. Para saberlo tendría que preguntar al router de entrada (X) y mantener ambos información de estado para cada conexión TCP activa

Ampliación Redes 4-75 Funcionamiento de ECN El bit de congestión de ECN equivale en IP a: –El bit EFCI de ATM (bit intermedio del campo PTI, EFCI=Explicit Forward Congestion Indication) –El bit FECN (Forward Explicit Congestion Notification) de Frame Relay

Ampliación Redes 4-77 Policy routing: El problema del ‘pez’ Backbone del ISP Usuario A Tarifa premium Usuario B Tarifa normal Usuario C Usuario A Tarifa premium Usuario B Tarifa normal Usuario C Problema: Solución ATM: Enlaces de alta capacidad Enlaces de baja capacidad El ISP no puede controlar en X que solo vaya por la ruta de alta capacidad el tráfico dirigido a C desde A y no el de B A B X A B X C C Backbone del ISP Al crear diferentes PVCs el ISP puede separar fácilmente el tráfico de A del de B Este es un ejemplo de lo que se denomina ‘Ingeniería de Tráfico’ PVC A-C PVC B-C Y Z V W Z Y V W

Ampliación Redes 4-78 Problema de los routers IP Es difícil encaminar eficientemente los datagramas cuando hay que respetar reglas externas, ajenas a la dirección de destino, es decir hay que hacer ‘policy routing’ o enrutamiento por políticas de uso Resulta difícil hacer Gigarouters eficientes que respeten el ‘policy routing’ Esto es especialmente crítico en los enlaces troncales de las grandes redes. ATM puede resolver el problema gracias a la posibilidad de fijar la ruta de los datagramas mediante el establecimiento del VC

Ampliación Redes 4-79 ATM vs IP Ventajas de ATM Rápida conmutación (consulta en tabla de VPI o VPI/VCI) Posibilidad de fijar la ruta según el origen (ingeniería de tráfico) Inconvenientes de ATM SAR (segmentación y reensamblado). Solo se da en el origen y destino. Overhead (  13%) debido al ‘Cell tax’ (cabecera) encapsulado AAL5, etc.

Ampliación Redes 4-80 MPLS MPLS (Multiprotocol Label Switching) intenta conseguir las ventajas de ATM, pero sin sus inconvenientes Asigna a los datagramas de cada flujo una etiqueta única que permite una conmutación rápida en los routers intermedios (solo se mira la etiqueta, no la dirección de destino) Las principales aplicaciones de MPLS son: –Funciones de ingeniería de tráfico (a los flujos de cada usuario se les asocia una etiqueta diferente) –Policy Routing –Servicios de VPN –Servicios que requieren QoS

Ampliación Redes 4-81 Solución MPLS al problema del pez Usuario A Tarifa premium Usuario B Tarifa normal Usuario C      -  5  -  3   5  4     3  2  2  7     4  -  7  - Los routers X y Z se encargan de etiquetar los flujos según origen-destino 5 4 3 2 7 A B X C Y Z V W C ha de distinguir de algun modo los paquetes que envía hacia A o B (puede usar subinterfaces diferentes) Las etiquetas solo tienen significado local y pueden cambiar a lo largo del trayecto (como los VPI/VCI de ATM)

Ampliación Redes 4-82 Terminología MPLS FEC (Forwarding Equivalence Class): conjunto de paquetes que entran en la red MPLS por la misma interfaz, que reciben la misma etiqueta y por tanto circulan por un mismo trayecto. Normalmente se trata de datagramas que pertenecen a un mismo flujo. Una FEC puede agrupar varios flujos, pero un mismo flujo no puede pertenecer a más de una FEC al mismo tiempo. LSP (Label Switched Path): camino que siguen por la red MPLS los paquetes que pertenecen a la misma FEC. Es equivalente a un circuito virtual en ATM o Frame Relay. LSR (Label Switching Router) : router que puede encaminar paquetes en función del valor de la etiqueta MPLS LIB (Label Information Base): La tabla de etiquetas que manejan los LSR. Relaciona la pareja (interfaz de entrada - etiqueta de entrada) con (interfaz de salida - etiqueta de salida) Los LSR pueden ser a su vez de varios tipos: LSR Interior: el que encamina paquetes dentro de la red MPLS. Su misión es únicamente cambiar las etiquetas para cada FEC según le indica su LIB LSR Frontera de ingreso: los que se encuentran en la entrada del flujo a la red MPLS (al principio del LSP). Se encargan de clasificar los paquetes en FECs y poner las etiquetas correspondientes. LSR Frontera de egreso: Los que se encuentran a la salida del flujo de la red MPLS (al final del LSP). Se encargan de eliminar del paquete la etiqueta MPLS, dejándolo tal como estaba al principio

Ampliación Redes 4-83 Terminología MPLS      -  5  -  3    5  4      3  2  2  7     4  -  7  - 54 3 2 7 A B X C Y Z V W LSR Frontera de ingresoLSR Frontera de egreso LSRs Interiores (V, W, Y) LSPs LIB FECs Routers IP ordinarios (no MPLS ‘enabled’) Router IP ordinario (no MPLS ‘enabled’)

Ampliación Redes 4-84 Creación de los LSP (Label Switched Path) Se puede hacer: –Por configuración, de forma estática (equivalente a los PVCs en ATM) –Por un protocolo de señalización: LDP: Label Distribution Protocol RSVP mejorado El enrutamiento del LSP se hace en base a la información que suministra el protocolo de routing, normalmente IS-IS o (más raramente) OSPF. Siempre se usan algoritmos del estado del enlace, que permiten conocer la ruta completa y por tanto fijar reglas de ingeniería de tráfico. Si una vez fijado el LSP falla algún enlace hay que crear un nuevo LSP por otra ruta para poder pasar tráfico

Ampliación Redes 4-85 Clasificación del tráfico en FECs Se puede efectuar en base a diferentes criterios, como por ejemplo: –Dirección IP de origen o destino (dirección de host o de red) –Número de puerto de origen o destino (a nivel de transporte) –Campo protocolo de IP (TCP; UDP; ICMP, etc.) –Valor del campo DSCP de DiffServ –Etiqueta de flujo en IPv6

Ampliación Redes 4-86 MPLS MPLS funciona sobre multitud de tecnologías de nivel de enlace: líneas dedicadas (PPP), LANs, ATM o Frame Relay. En ATM y Frame Relay la etiqueta MPLS ocupa el lugar del campo VPI/VCI o en el DLCI La etiqueta MPLS se coloca delante del paquete de red y detrás de la cabecera de nivel de enlace. Las etiquetas pueden anidarse, formando una pila. Esto permite ir agregando (o segregando) flujos. El mecanismo es escalable.

Ampliación Redes 4-87 EtiquetaExpSTTL Bits  20318 Formato de la etiqueta MPLS Etiqueta: Exp: S: TTL: La etiqueta propiamente dicha que identifica una FEC (con significado local) Bits para uso experimental; una propuesta es transmitir en ellos información de DiffServ Vale 1 para la primera entrada en la pila (la más antigua), cero para el resto Contador del número de saltos. Este campo reemplaza al TTL de la cabecera IP durante el viaje del datagrama por la red MPLS.

Ampliación Redes 4-88 Situación de la etiqueta MPLS Cabecera PPP Pila de etiquetas MPLS Cabecera IPDatosCola PPP Cabecera MAC Cabecera LLC Pila de etiquetas MPLS Cabecera IPDatosCola MAC Etiqueta MPLS Superior Resto de etiquetas MPLS Cabecera IPDatos Etiqueta MPLS Superior Resto de etiquetas MPLS Cabecera IPDatosCola Frame Relay Cabecera Frame Relay Campo DLCI Cabecera ATM Campo VPI/VCI PPP (Líneas dedicadas) LANs (802.2) ATM Frame Relay

Ampliación Redes 4-89 Tratamiento del campo TTL Al entrar un paquete en la red MPLS el router de ingreso inicializa el TTL de la etiqueta al mismo valor que tiene en ese momento la cabecera IP Durante el viaje del paquete por la red MPLS el campo TTL de la etiqueta disminuye en uno por cada salto. El de la cabecera IP no se modifica. A la salida el router de egreso coloca en la cabecera IP el valor del TLL que tenía la etiqueta, menos uno Si en algún momento el TTL vale 0 el paquete es descartado Si hay etiquetas apiladas solo cambia el TTL de la etiqueta situada más arriba. Cuando se añade una etiqueta hereda el valor de la anterior en la pila, cuando se quita pasa su valor (menos uno) a la que tenía debajo.

Ampliación Redes 4-90 Red MPLS ISP A Red MPLS ISP B Red MPLS ISP C 4 (16) 8 (12) 2 (15) 2 (13) 2 (15) 7 (14) LSR de Ingreso 1 er nivel LSR Interior 1 er nivel LSR Interior 1 er nivel LSR de Egreso 1 er nivel LSR de Egreso 2º nivel LSR de Ingreso 2º nivel V W X Y Z U Los routers U y Z han constituido un LSP con dos LSR interiores, V e Y Los routers V e Y están enlazados por un LSP que ha creado el ISP B. V e Y no ven las etiquetas rojas que manejan W y X Para el ISP B parece como si V e Y fueran routers IP ordinarios (no MPLS ‘enabled’) 2 (15) 7 (14) Etiqueta (TTL) de 2º nivel Etiqueta (TTL) de 1 er nivel En cierto modo es como si entre V e Y se hubiera hecho un túnel que atravesara W y X Apilamiento de etiquetas en MPLS IP (17) IP (11) IP (17) Paquete IP (TTL)

Ampliación Redes 4-91 Aplicaciones de MPLS Redes de alto rendimiento: las decisiones de encaminamiento que han de tomar los routers MPLS en base a la LIB son mucho más sencillas y rápidas que las que toma un router IP ordinario (la LIB es mucho más pequeña que una tabla de rutas normal). La anidación de etiquetas permite agregar flujos con mucha facilidad, por lo que el mecanismo es escalable. Ingeniería de Tráfico: se conoce con este nombre la planificación de rutas en una red en base a previsiones y estimaciones a largo plazo con el fin de optimizar los recursos y reducir congestión. QoS: es posible asignar a un cliente o a un tipo de tráfico una FEC a la que se asocie un LSP que discurra por enlaces con bajo nivel de carga. VPN: la posibilidad de crear y anidar LSPs da gran versatilidad a MPLS y hace muy sencilla la creación de VPNs. Soporte multiprotocolo: los LSPs son válidos para múltiples protocolos, ya que el encaminamiento de los paquetes se realiza en base a la etiqueta MPLS estándar, no a la cabecera de nivel de red.

Ampliación Redes 4-92 RFCs MPLS RFC 2702 (9/1999): Requirements for Traffic Engineering Over MPLS RFC 2917 (9/2000): A Core MPLS IP VPN Architecture RFC 3031 (1/2001): MPLS Architecture RFC 3032 (1/2001): MPLS Label Stack Encoding RFC 3035 (1/2001): MPLS using LDP and ATM VC Switching RFC 3036 (1/2001): LDP (Label Distribution Protocol) Specification RFC 3063 (2/2001): MPLS Loop Prevention Mechanism RFC 3270 (5/2002): MPLS Support of DiffServ RFC 3346 (8/2002): Applicability Statement for Traffic Engineering with MPLS RFC 3353 (8/2002): Overview of IP Multicast in a MPLS Environment

Ampliación Redes 4-93 Referencias MPLS MPLS Forum: http://www.mplsforum.org/http://www.mplsforum.org/ MPLS Resource Center: http://www.mplsrc.com/http://www.mplsrc.com/ MPLS Working Group: http://www.ietf.org/html.charters/mpls- charter.htmlhttp://www.ietf.org/html.charters/mpls- charter.html Proyecto MPLS for Linux: http://sourceforge.net/projects/mpls-linux/http://sourceforge.net/projects/mpls-linux/ ‘MPLS’. William Stallings, Internet Protocol Journal Vo. 4 Nº 3 http://www.cisco.com/warp/public/759/ipj_4-3/ipj_4-3_mpls.html http://www.cisco.com/warp/public/759/ipj_4-3/ipj_4-3_mpls.html ‘MPLS: Una arquitectura de backbone para la Internet del siglo XXI’. José Barberá, Boletín RedIRIS Nº 53, septiembre 2000. http://www.rediris.es/rediris/boletin/53/enfoque1.html http://www.rediris.es/rediris/boletin/53/enfoque1.html Red MPLS de ONO (Telia) en España: http://www.microsoft.com/spain/download/technet/6onoTechnnet_200 1.ppt http://www.microsoft.com/spain/download/technet/6onoTechnnet_200 1.ppt

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