Mecanismos de QoS para administrar y evitar la congestión de la red Redes Convergentes Mecanismos de QoS para administrar y evitar la congestión de la red

5. Mecanismos de QoS para administrar y evitar la congestión de la red Cisco utiliza el término “administración de la congestión” para referirse a los sistemas de encolamiento de sus productos. La mayoría de la gente entiende los conceptos básicos de encolamiento, ya que la mayoría de nosotros lo experimenta día a día: una cola de espera para pagar los abarrotes en el supermercado, una cola de espera para ser atendidos en el banco y así sucesivamente. Los sistemas de encolamiento tienen un impacto en las 4 características mencionadas anteriormente: ancho de banda, delay, jitter y pérdida de paquetes. Mucha gente escucha el término QoS e inmediatamente piensa en sistemas de encolamiento, pero QoS incluye muchos más conceptos y características que solamente encolar. Ciertamente, los sistemas de encolamiento son muy a menudo las herramientas desarrolladas más importantes.

Los sistemas de encolamiento más básicos utilizan una cola sencilla con un tratamiento FIFO (First In First Out). Y, ¿qué significa esto? Bueno, cuando el IOS decide tomar el siguiente paquete de la cola, de todos los que están esperando, toma aquel que llegó primero como se muestra en la figura Cola FIFO

El encolamiento FIFO no requiere las dos características más interesantes de otras herramientas de encolamiento: clasificación y planeación. Finalmente, cabe mencionar que el IOS Cisco utiliza por default el método de encolamiento “weighted fair” (espera equitativa ponderada) en lugar del encolamiento FIFO y que para cambiarse, los routers proveen los comandos necesarios para ajustar estos parámetros.

Encolamiento por prioridad (PQ – Priority Queuing) La característica más distintiva de las colas de prioridad es su programación. PQ programa el tráfico de manera que las colas de prioridad más alta siempre obtienen el servicio, con el efecto secundario en las colas de baja prioridad. Se pueden establecer un número máximo de 4 colas, llamadas: alta, medio, normal y baja. El proceso de este mecanismo es muy simple, siempre inicia en la cola de alta prioridad y ella transmitirá primero, si esta cola no tiene paquetes en espera, la cola de mediana prioridad tiene la opción de transmitir paquetes y así sucesivamente. La cola de baja prioridad transmitirá sus paquetes si ninguna de las anteriores tiene paquetes en espera.

Encolamiento por espera equitativa ponderada (WFQ - Weighted Fair Queuing) Este método de encolamiento clasifica paquetes en flujos. Un flujo es un conjunto de paquetes que tienen la misma dirección IP origen y destino y los mismos números de puerto tanto origen como destino. Dado que WFQ es basado en flujos, cada flujo utiliza diferentes colas FIFOS separadas, el número de colas alcanza las 4096 colas por interface.

Encolamiento por espera equitativa ponderada (WFQ - Weighted Fair Queuing) Es un método automatizado que provee una justa asignación de ancho de banda para todo el tráfico de la red. Como se mencionó, WFQ ordena el tráfico en flujos utilizando una combinación de parámetros. Por ejemplo, para una conversación TCP/IP, se utiliza el protocolo IP (dirección origen y destino), etc. Una vez distinguidos estos flujos el router determina cuáles son de uso intensivo o sensible al retardo, priorizándolos y asegurando que los flujos de alto volumen sean empujados al final de la cola, y los volúmenes bajos, sensibles al retardo, sean empujados al principio de la cola. Esta técnica es apropiada en situaciones donde se desea proveer un tiempo respuesta consistente ante usuarios que generan altas y bajas cargas en la red, ya que se adapta a las condiciones cambiantes del tráfico en ésta.

Encolamiento por espera equitativa ponderada (WFQ - Weighted Fair Queuing) A manera de resumen, mostramos las características más importantes: Resumen WFQ

Encolamiento por espera equitativa ponderada basado en clases (CBWFQ –Class Based Weighted Fair Queuing) CBWFQ tiene algunas limitantes de escalamiento, ya que la implementación del algoritmo se ve afectada a medida que el tráfico por enlace aumenta, colapsa debido a la cantidad numerosa de flujos que analizar. CBWFQ fue desarrollada para evitar esas limitaciones, tomando el algoritmo de WFQ y expandiéndolo, permitiendo la definición de clases definidas por el usuario, que permiten un mayor control sobre las colas de tráfico y asignación de ancho de banda.

Algunas veces es necesario garantizar una determinada tasa de transmisión para cierto tipo de tráfico, lo cual no es posible mediante WFQ pero sí con CBWFQ. Las clases que son posibles implementar con CBWFQ pueden ser determinadas según protocolo ACL, valor DSCP o interfaz de ingreso. Cada clase posee una cola separada y todos los paquetes que cumplen con el criterio definido para una clase en particular son asignados a dicha cola. Una vez que se establecen los criterios para las clases, es posible determinar cómo los paquetes pertenecientes a dicha clase serán manejados. Si una clase no utiliza su porción de ancho de banda, otras pueden hacerlo. Se pueden configurar específicamente el ancho de banda y el límite de paquetes máximos (o profundidad de cola) para cada clase. El peso asignado a la cola de la clase es determinado mediante el ancho de banda asignado a dicha clase.

Encolamiento de baja latencia (LLQ – Low Latency Queueing) El encolamiento de baja latencia es una mezcla entre PQ y CBWFQ. Es actualmente el método de encolamiento recomendado para Voz sobre IP (VoIP) y telefonía IP, que también trabajará apropiadamente con videoconferencias. LLQ consta de colas de prioridad personalizadas, basadas en clases de tráficos, en conjunto con una cola de prioridad, la cual tiene preferencia absoluta sobre las otras colas.

Si existe tráfico en la cola de prioridad, ésta es atendida antes que las otras colas de prioridad personalizadas. Si la cola de prioridad no está encolando paquetes, se procede a atender a otras colas según su prioridad. Debido a este comportamiento es necesario configurar un ancho de banda límite reservado para la cola de prioridad, evitando la inanición del resto de las colas. La cola de prioridad que posee LLQ provee un máximo retardo garantizado para los paquetes entrantes para esta cola, el cual es calculado como el tamaño del MTU dividido por la velocidad del enlace.

Evasión de la congestión Las metodologías de evasión de la congestión se basan en la manera en que los protocolos operan, con el fin de no llegar a la congestión de la red. Las técnicas de RED (Random Early Detection) y WRED (Weighted Random Early Detection) evitan el efecto conocido como “sincronización global”. Cuando múltiples conexiones TCP operan sobre un enlace común todas ellas incrementan el tamaño de su ventana deslizante a medida que el tráfico llega sin problemas. Este aumento gradual consume el ancho de banda hasta congestionarlo. En este punto, las conexiones TCP experimentan errores de transmisión, lo que hace que se disminuya su tamaño de ventana simultáneamente. Esto conlleva a una sincronización global, donde todos los flujos comienzan a incrementar su tasa de transmisión nuevamente para llegar a otro estado de congestión. Este ciclo es repetitivo, creando picos y valles en la utilización del ancho de banda del enlace. Es debido a este comportamiento que no se utiliza los máximos recursos de la red.

Los métodos de evasión de la congestión tratan con este tipo de situación, descartando paquetes de forma aleatoria. RED forza a que el flujo de reduzca el tamaño de su ventana de transmisión, disminuyendo la cantidad de información enviada. A medida que se alcanza el estado de congestión de la red, más paquetes entrantes son descartados con el fin de no llegar al punto de congestión en el enlace. Lo que limita a estas técnicas de evasión de congestión es que sólo sirve para el tráfico basado en TCP, ya que otros protocolos no utilizan el concepto de ventana deslizante.