Memoria presentada por Sebastián Andrés Álvarez Moraga Universidad Técnica Federico Santa María Departamento de Electrónica Estudio y Configuración de Calidad de Servicio para Protocolos IPv4 e IPv6 en una Red de Fibra Óptica WDM Memoria presentada por Sebastián Andrés Álvarez Moraga Profesor Guía: Agustín González Valenzuela Profesor Correferente: Walter Grote Hahn Miércoles 18 de Agosto de 2004

Contenidos Introducción Concepto de Calidad de Servicio Marcado de Paquetes Arquitecturas de Calidad de Servicio Implementación de Calidad de Servicio Técnicas de Encolamiento Pruebas Realizadas Conclusiones

Introducción El protocolo IPv4 y el naciente IPv6 constituyen la base de las comunicaciones de Internet. Existen flujos de tráfico sobre estas redes que son críticos y deben ser tratados de forma especial en momentos de congestión. Surge la necesidad de estudiar e implementar esquemas de Calidad de Servicio que permitan otorgar una distinción en la manipulación de estos flujos.

Calidad de Servicio

Calidad de Servicio “Capacidad de una red para sostener un comportamiento adecuado del tráfico que transita por ella, cumpliendo con parámetros relevantes para el usuario final.” Se intenta acotar Ancho de Banda, Retardo, Jitter, y Porcentaje de Pérdida de los paquetes para ciertas clases de tráfico.

Calidad de Servicio Cada tipo de tráfico es asociado a una Clase de Servicio. Se utilizan diversos métodos en los enrutadores y conmutadores, para otorgar el servicio apropiado a cada clase. Se utilizan campos de diferenciación en los protocolos IPv4 e IPv6 para lograr el marcado de los paquetes.

Marcado de Paquetes

Marcado en Capa 2 En los marcos Ethernet 802.1p y los marcos ISL, es posible incrustar información de calidad de servicio, CoS (3 bits). Se obtienen 7 niveles de diferenciación que permiten dar preferencia en el proceso de conmutación de paquetes.

Transmisión con Prioridad, basada en CoS Marcado en Capa 2 Transmisión con Prioridad, basada en CoS 7 Marcos con valores CoS 7 4 3 4 Puerta A 3 Destino Puerta A

Marcado en Capa 3 IPv4 contiene el campo de 8 bits, Tipo de Servicio. IPv6 contiene los campos Clase de tráfico (8 bits) y Etiqueta de Flujo (24 bits).

Protocolo IPv4 4 8 16 20 32 Versión Cabecera Tipo de Servicio Longitud Total Identificación Indicadores Desplazamiento de Fragmentación Tiempo de Vida Protocolo Suma de comprobación de la cabecera Dirección Origen Dirección Destino Opciones IP

Protocolo IPv6 Versión Clase de Tráfico Etiqueta de Flujo 4 12 16 24 32 Versión Clase de Tráfico Etiqueta de Flujo Longitud de Carga Útil Siguiente Cabecera Límite de Saltos Dirección de Origen (128 bits) Dirección Destino (128 Bits)

Arquitecturas de QoS Mejor Esfuerzo, servicio tradicional de transporte de datos, donde no hay garantía de la entrega del paquete. Servicios Integrados, provee de servicio garantizado, negociando parámetros de red de extremo a extremo mediante RSVP. Servicios Diferenciados, mediante la clasificación de paquetes utiliza mecanismos de encolamiento para dar prioridad a los paquetes.

Servicios Integrados Cada dispositivo a lo largo de la ruta necesita comprender RSVP y señalizar la QoS requerida. Cada reservación debe ser refrescada periódicamente, por lo que se añade tráfico a la red. Además, cada reservación debe ser mantenida por cada uno de los dispositivos a lo largo de la ruta.

Servicios Diferenciados Se definen varias clases de servicio, donde se agrupan los tráficos. La clasificación y marcado ocurre sólo en los bordes de la red. En base a esta clasificación se implementa en cada salto el comportamiento deseado.

DiffServ Code-Point (DSCP) Para el marcado de los paquetes IPv4 e IPv6 se utiliza el valor DSCP. Provee hasta 64 niveles de diferenciación mediante 6 bits del campo Tipo de Servicio (IPv4) y del campo Clase de Tráfico (IPv6). 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1

Metodología de Implementación En primer lugar se Clasifican los paquetes entrantes. Se les Limita su tasa de ingreso. Se Marcan los paquetes mediante el valor DSCP. Se Moldea su tasa se egreso. Se aplican técnicas de Manejo de Congestión y Encolamiento.

Procesos en Implementación de Calidad de Servicio

Clasificación de Paquetes Mediante Listas de Acceso. Se selecciona el tráfico según protocolo, direcciones de origen o destino IP, según puerto de origen o destino. Según valor DSCP en paquete IP. Según valor CoS de marco Ethernet. Se agrupan estos tráficos mediante Mapas de Clase.

Limitación en Ingreso Se define una tasa límite para el tráfico entrante, clasificado en los Mapas de Clase. El tráfico que excede esta tasa puede ser remarcado, transmitido, o descartado.

Marcado de Paquetes Si es necesario, se establecen nuevos valores DSCP para paquetes que excedan límites de ancho de banda. Se aplica el marcado mediante Mapas de Política, donde se define que acción tomar para cada Mapa de Clase creado.

Mapas de Clase y de Política

Técnicas de Encolamiento

Técnicas de Encolamiento FIFO, primer paquete en entrar es el primero en salir. Adecuado para interfaces de alta velocidad. 4 3 2 1 4 3 2 1 4 3 2 1 Cola FIFO

Técnicas de Encolamiento Encolamiento de Prioridad, colas servidas en estricto orden de prioridad. 5 4 3 2 1 1 4 5 3 2 1 Prioridad Baja 4 Prioridad Normal 5 Prioridad Media 3 2 Prioridad Alta Colas de Prioridad

Técnicas de Encolamiento Encolamiento Personalizado, se define la cantidad de paquetes que serán atendidos en cada cola. Se atienden todas las colas. 7 6 5 4 3 2 1 7 6 5 3 2 4 1 5 1 Cola 1 6 4 Cola 2 Cola 16 7 3 2 Colas Personalizadas

Técnicas de Encolamiento Encolamiento Ponderado Basado en Clases, se define la cantidad de bytes que serán atendidos para cada clase. 7 6 5 4 3 2 1 6 5 4 1 7 3 2 5 1 Clase A 6 4 Clase B Baja Latencia Clase C 7 3 2 Colas Ponderadas

Evasión de Congestión Es posible descartar paquetes en vez de encolarlos para prevenir el fenómeno de Sincronización Global. RED y WRED (Weighted Random Early Detection) descartan paquetes en forma aleatoria a medida que el tamaño de la cola aumenta. Es útil para tráfico TCP, no para UDP.

Sincronización Global Utilización de la Cola 100% Tiempo Tail Drop 3 Flujos de Tráfico comienzan a distintos tiempos. Otro Flujo comienza en este instante

Resumen Clasificación de paquetes en enrutadores de borde y agrupación en Mapas de Clase. Limitación y Marcado mediante Mapas de Política. Manejo de Congestión mediante Técnicas de Encolamiento. Evasión de Congestión utilizando RED o WRED.

Pruebas de Calidad de Servicio

Pruebas de Calidad de Servicio Asignación de Prioridad y Limitación para Tipos de Tráfico. Evaluación de Tráfico Multimedia. Limitación y Encolamiento en IPv6. Evaluación de Tráfico Multimedia en Ipv6.

Pruebas de Calidad de Servicio Asignación de Prioridad y Limitación para Tipos de Tráfico El objetivo es comprobar el marcado de paquetes mediante DSCP. Aplicar limitación de tráfico a los paquetes marcados. Más tarde, mediante manipulación de encolamiento se da prioridad al tráfico marcado.

Pruebas de Calidad de Servicio Asignación de Prioridad y Limitación para Tipos de Tráfico Se marcarán paquetes clasificando mediante listas de acceso. Verificar marcación de paquetes en enrutador de borde. A los paquetes marcados se les limita su tasa de transmisión.

Pruebas de Calidad de Servicio Asignación de Prioridad y Limitación para Tipos de Tráfico Clasificación y Marcado Limitación de velocidad Verificación y conteo de DSCP

Pruebas de Calidad de Servicio Asignación de Prioridad y Limitación para Tipos de Tráfico Se originan dos flujos de tráfico desde un PC en la UCHILE, Santiago. Se clasifica y marca el tráfico de prioridad en la interfaz de ingreso del enrutador en UTFSM, Valparaíso. Se aplica QoS en la interfaz de salida congestionada. Se toman estadísticas de los flujos recibidos en dos PC ubicados en la UTFSM.

Pruebas de Calidad de Servicio Asignación de Prioridad y Limitación para Tipos de Tráfico 1 Tráfico con QoS Clasificación y Marcado 2 Tráfico Best-Effort 1 UCHILE 1 1 2 1 1 2 1 2 UTFSM 2 2 Encolamiento de baja latencia Generación de Paquetes

Pruebas de Calidad de Servicio Asignación de Prioridad y Limitación para Tipos de Tráfico Se transmitió durante 30 segundos tráfico sin calidad de servicio. Durante el segundo 10 hasta el segundo 20, se incorporó el tráfico con prioridad.

Pruebas de Calidad de Servicio Asignación de Prioridad y Limitación para Tipos de Tráfico

Pruebas de Calidad de Servicio Evaluación de Tráfico Multimedia El objetivo es comprobar la distribución de ancho de banda en caso de congestión. Observar la variación del retardo en la cola de baja latencia.

Pruebas de Calidad de Servicio Evaluación de Tráfico Multimedia Se utilizarán cuatro flujos de tráfico, que reflejan los que comúnmente circulan por la red: Http, Ftp, Audio y Video. Mediante Encolamiento Basado en Clases, se realiza la asignación de ancho de banda para cada uno de los flujos, dando prioridad al de Audio y Video.

Pruebas de Calidad de Servicio Evaluación de Tráfico Multimedia UTFSM UCHILE 1 2 3 4 4 1 3 2 Clasificación y Marcado Recolección de Estadísticas Generación de Paquetes Encolamiento Basado en Clases y de baja latencia 1 Audio 3 Http 2 Video 4 Ftp

Pruebas de Calidad de Servicio Evaluación de Tráfico Multimedia Durante 40 segundos se transmitió tráfico de Audio. En el segundo 5, y por 30 segundos, se transmitió tráfico Http. En el segundo 10, y por 20 segundos, se transmitió tráfico Ftp. En el segundo 15, y por 10 segundos, se transmitió trafico de Video.

Pruebas de Calidad de Servicio Evaluación de Tráfico Multimedia

Pruebas de Calidad de Servicio Evaluación de Tráfico Multimedia

Pruebas de Calidad de Servicio Limitación y Encolamiento en IPv6 El objetivo es corroborar la clasificación y limitación de tráfico IPv6. Utilizar encolamiento basado en clases para asignar anchos de banda a las mismas.

Pruebas de Calidad de Servicio Limitación y Encolamiento en IPv6 Se selecciona todo tráfico del tipo IPv6, generado en UCHILE. Se le aplica una limitación de ancho de banda en UTFSM. Se monitorea la política de limitación en el enrutador.

Pruebas de Calidad de Servicio Limitación y Encolamiento en IPv6 UTFSM UCHILE 1 3 1 2 3 4 Clasificación y Limitación Generación de Paquetes Monitoreo de política de limitación Tráfico IPv6

Pruebas de Calidad de Servicio Limitación y Encolamiento en IPv6 Service-policy input: eloportpolicy Class-map: classeloport (match-all) 5135 packets, 2900000 bytes 5 minute offered rate 75000 bps, drop rate 60000 bps Match: access-group name eloport police: cir 500000 bps, bc 8000 bytes, be 8000 bytes conformed 3597 packets, 804500 bytes; actions: transmit exceeded 9 packets, 7918 bytes; actions: drop violated 1529 packets, 2087582 bytes; actions: conformed 20000 bps, exceed 0 bps, violate 60000 bps Class-map: class-default (match-any) 2518 packets, 2663421 bytes 5 minute offered rate 42000 bps, drop rate 0 bps Match: any

Pruebas de Calidad de Servicio Evaluación de Tráfico Multimedia en IPv6 Al igual que en la prueba de Ipv4, se generan tráficos de Http, Ftp, Audio y Video. Se clasifica y marca el tráfico en la interfaz de entrada en la UTFSM. Se aplica Encolamiento basado en Clases a los distintos flujos.

Pruebas de Calidad de Servicio Evaluación de Tráfico Multimedia en IPv6 UTFSM UCHILE 1 2 3 4 4 1 3 2 Clasificación y Marcado Recolección de Estadísticas Generación de Paquetes Encolamiento Basado en Clases y de baja latencia 1 Audio 3 Http 2 Video 4 Ftp

Pruebas de Calidad de Servicio Evaluación de Tráfico Multimedia en IPv6 Fue posible verificar la limitación, mediante el monitoreo de la política y las estadísticas en el PC receptor. No se realizó la distribución de ancho de banda de los tráficos restantes como se esperaba. No se pudo verificar la técnica de encolamiento configurada.

Conclusiones

Conclusiones Para IPv4 e IPv6 existe la capacidad de marcar los paquetes mediante DSCP y CoS para realizar la distinción de clases. Mediante listas de acceso y mapas de clase y de políticas es posible clasificar y aislar flujos de tráfico.

Conclusiones Es posible limitar el flujo de datos, al momento de ingresar a la interfaz o cuando egresa de ésta. Se cuenta con variadas técnicas de encolamiento que permiten distribuir el ancho de banda disponible en un enlace.

Conclusiones Se comprobó que la asignación de prioridades en IPv4 y la limitación son una herramienta factible de utilizar. A pesar de verificar la capacidad de limitación de tráfico en IPv6, no fue posible constatar la característica de Encolamiento basado en clases.

Conclusiones El equipo utilizado para implementar QoS en IPv4 posee una sólida estructura y capacidad de procesamiento para esta característica. El equipo utilizado para implementar QoS en IPv6, presenta una arquitectura basada en Software para el tratamiento de los paquetes. Se observó un bajo desempeño y alto consumo de recursos.

Trabajo Futuro Evaluación de desempeño de QoS utilizando interfaces Gigabit Ethernet. Incluir un esquema de red jerárquico, con nodos de acceso, distribución y nodos centrales, evaluando el comportamiento completo.

Trabajo Futuro Utilizar equipamiento “maduro” para evaluar el manejo de congestión con tráfico IPv6.

Por su atención, Muchas Gracias