1 Evaluación de mecanismos de calidad de servicio en los routers para servicios multimedia Santiago Felici Doctorado: Sistemas y Servicios Telemáticos.

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1 1 Evaluación de mecanismos de calidad de servicio en los routers para servicios multimedia Santiago Felici Doctorado: Sistemas y Servicios Telemáticos

2 2 Sumario QoS y flujos: definición Modelos de servicio Modelo de colas Modelos de fragmentación y descarte

3 3 ¿Qué es QoS? Se refiere a la habilidad de la red, de ofrecer prioridad a unos determinados tipos de tráfico, sobre diferentes tecnologías, incluyendo: Frame Relay, Asynchronous Transfer Mode (ATM), LANs y líneas dedicadas. QOS lo definen 4 parámetros: ancho de banda, retraso temporal, variación de retraso (o jitter) y probabilidad de error (o pérdida de paquetes o fiabilidad) QoS está directamente relacionado con el tamaño de colas y la congestión de la red, con la velocidad de conmutación y ancho de banda de los enlaces QoS provee de mejores y más predecibles servicios a la red mediante: Soporte de ancho de banda dedicado. Mejorando la características de perdida de paquetes. Evitando y manejando la congestión de la red. Organizando el tráfico. Introduciendo prioridades de tráfico a lo largo de la red.

4 4 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

5 5 Ejemplo: Necesidad QoS en VoIP (telefonía sobre Internet) VoIP requiere misma calidad que teléfono tradicional. Los usuarios de aplicaciones de VoIP, necesitan obtener la misma calidad de transmisión que la recibida hasta entonces mediante la red telefónica básica. Esto implica alta calidad en las transmisiones de voz. Muy Sensible a retardos, y necesita un ancho de banda garantizado. Las aplicaciones de VoIP tienen una gran sensibilidad ante los retardos, y necesitan un mínimo ancho de bada garantizado.

6 6 Perdida de paquetes < 1% Retraso extremo-extremo < 150 ms La especificación de la ITU G.114 recomienda menos de 150 ms de retraso máximo entro los nodos extremos(bordes de la red), para tráfico en tiempo real, como la voz. Los paquetes de VoIP deben recibir un trato especial El codec por defecto G.729 requiere que el número de paquetes perdidos sea menor del 1% para evitar errores perceptibles. Idealmente no debe de producirse perdida de paquetes. Ejemplo: Necesidad QoS en VoIP (telefonía sobre Internet)

7 7 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). El SLA suele ser estático y definido en el momento de negociación del contrato con el proveedor de servicio o ISP (Internet Service Provider).

8 8 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 Por efecto de retransmisiones Aquí QoS!!

9 9 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)

10 10 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

11 11 Red Internet Trafico H.323 Trafico FTP Trafico HTTP H.323, lo marco como prioritario Mirar prioridad y aplicar QoS Aplico QoS, y quito las marcas

12 12 Calidad de servicio en Internet: mecanismos 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. Es el más interesante actualmente.... (ambos son compatibles y pueden coexistir) No hemos incluido Best Effort, porque es equivalente a no hacer nada, el más fácil de implementar con gestión de colas por FIFO (First In, First Out)

13 13 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.

14 14 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

15 15 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 o clases en vídeo 128 Kbps + 256 Kbps= 384 Kbps

16 16 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)

17 17 Sumario QoS y flujos: definición Modelos de servicio Modelo de colas Modelos de fragmentación y descarte

18 18 Arquitectura QoS en una red No todos los routers tienen la misma estructura: Routers del borde Routers del interior

19 19 Arquitectura QoS en una red No todas las técnicas son apropiadas para todos los routers de la red. Debemos de seleccionar las características apropiadas de QoS en cada sitio. Routers del bordeRouters del interior Clasificación de paquetes. Control de admisión. Administración de la configuración. Tratamiento de la congestión. Evitar congestión.

20 MODELOS DE SERVICIO (QoS) Best-Effort Service Integrated Service Differentiated Service

21 21 Best-Effort Service Es un modelo simple de servicio, en el cual, una aplicación envía información cuando ella lo desea, en cualquier cantidad, sin ningún permiso requerido, y sin informar previamente a la red. Es el modelo más sencillo. No asegura, throughput, retraso o fiabilidad La red reparte o envía la información si puede, sin asegurar ningún retraso, throughput o fiabilidad Usa modelo de cola FIFO(First-in fisrt-out)

22 MODELOS DE SERVICIO (QoS) Best-Effort Service Integrated Service Diferentiated Service

23 23 Integrated Service Integrated Service. Dos tipos de QoS. Este modelos también es conocido en muchas áreas de la literatura de QoS, como Guaranteed level. Se le llama así porque uno de los dos tipos de QoS que ofrece garantiza recursos íntegramente. Antes de enviar datos  petición servicio En este modelo, una aplicación realiza una petición de una clase de servicio específica a la red, antes de comenzar a enviar información.

24 24 Integrated Service Señalización explicita  Clase de servicio ! La petición se realiza mediante una señalización explicita, de modo que la aplicación informa a la red del perfil o características de su tráfico, y pide una clase particular de servicio que pueda satisfacer sus requerimientos, tanto de ancho de banda como de retraso. La red confirma la petición. La aplicación queda a la espera de enviar la información hasta recibir la confirmación de la petición por parte de la red.

25 25 Integrated Service La red realiza control de admisión. La red realiza una control de admisión, en función de la petición realizada por la aplicación y los recursos disponibles en la red. La red guarda información de estado. La red mantiene información del estado de sí misma por flujos, mirando la clasificación, normas, y el algoritmo de cola en cada estado.

26 26 Integrated Service RSVP RSVP: Mecanismo más utilizado en el modelo ‘Integrated Services’. Es un protocolo de señalización, no de routing. El mecanismo más importante para llevar a cabo el modelo ‘Integrated Service’ es el llamado RSVP, Resource Reservation Protocol, que puede ser utilizado por las aplicación para enviar los requerimientos de QoS al router. Con RSVP pueden usarse 2 mecanismos (o clases de servicio) Guaranteed Rate Service Equivalente en ATM a CBR, VBR-rt Controled Load Service Equivalente en ATM a VBR-nrt

27 27 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 de cada flujo. Esto hace inviable usar RSVP en grandes redes, por ejemplo en el ‘core’ de Internet.

28 MODELOS DE SERVICIO (QoS) Best-Effort Service Integrated Service Differentiated Service

29 29 Differentiated Service Differentiated Service es un modelo de múltiples servicios que puede satisfacer diferentes requerimientos de QoS. Modelo basado en uso de múltiples clases. No usa señales  Integrated Services. No utiliza señales para especificar los servicios requeridos de la red previamente, lo cual lo diferencia del nivel o modelo Integrated Service, que veremos a continuación. Clase especificada por: IP Precedence, DSCP En este modelo, la red intenta hacer un reparto basándose en una serie de clases de QoS, especificadas en cada paquete. Esta clasificación se puede realizar usando diferentes métodos, como IP Precedence o DSCP. DSCP= Differentiated Service Code Point

30 30 Pasos para la aplicación de QoS en DiffServ Comprobar que existe suficiente ancho de banda para cursar la comunicación. Clasificación y marcado de paquetes por la dirección IP, puertos, etc Elección de un mecanismo de cola eficiente que respete la SLA. Mecanismo de fragmentación.

31 31 Sumario QoS y flujos: definición Modelos de servicio Modelo de colas Modelos de fragmentación y descarte

32 Mecanismos de cola QoS First-in First-out ( FIFO) Priority Queuing(PQ) Custom Queuing (CQ) Weighted Fair Queueing (WFQ) y otros

33 33 FIFO, el más básico En su forma más sencilla, el mecanismo de cola FIFO, se encarga de almacenar paquetes cuando hay congestión en la red, y a enviarlos cuando tiene la posibilidad, manteniendo el orden de llegada, es decir, que no ofrece ninguna prioridad de unos paquetes sobre otros. Es el método más rápido. Este es el mecanismo que se suele utilizar por defecto, como ya comentamos anteriormente cuando hablamos de ‘best-effort’. Cisco lo utiliza por defecto en enlaces superiores a T1 (1.5 Mbps) Usa la técnica de Almacenamiento y reenvío

34 34 FIFO Hoy en día se necesitan algoritmos más sofisticados, que permiten diferenciar entre distintos tipos de paquete, por lo que este método está cayendo en desuso. FIFO está limitado por su bufer. Este algoritmo, al igual que ocurre con el resto de mecanismo de cola, tiene como limitación la capacidad de su bufer en momentos de congestión. No es recomendable para QoS.

35 Mecanismos de cola QoS First-in First-out ( FIFO) Priority Queuing(PQ) Custom Queuing (CQ) Weighted Fair Queueing (WFQ) y otros

36 36 Prioritizing Traffic (PQ) Da prioridad estricta al tráfico importante Asegura que el tráfico importante reciba un servicio rápido en cada punto de la red, donde está mecanismo este presente. Existen 4 clases de prioridad de tráfico En el mecanismo PQ, cada uno de los paquetes debe de ser colocado en una de las cuatro posibles colas (alta, media, normal, baja prioridad), servidas en riguroso orden de prioridad, lo cual puede crear inanición. Ofrece garantías totales. Las prioridades se definen por filtros en los routers.

37 37 Prioritizing Traffic (PQ) La prioridad de los paquetes puede diferenciarse por diversos medios, como: el protocolo de red, el interfaz del router por el que llegue el paquete, el tamaño del paquete y la dirección de origen o destino. Los paquetes que no se puedan clasificar serán asignados a la cola de prioridad normal. Clasificación: Protocolo,interfaz de acceso dir. Origen y destino, tamaño del paquete. Inconveniente: Este método es estático y no se adapta a los requerimientos de la red. Además, puede crear inanición, es decir dejar fuera de servicio a tráfico menos prioritario.

38 38 Esquema gráfico (PQ)

39 Mecanismos de cola QoS First-in First-out ( FIFO) Priority Queuing(PQ) Custom Queuing (CQ) Weighted Fair Queueing (WFQ) y otros

40 40 Custom Queueing (CQ) CQ fue diseñado para permitir que varias aplicaciones compartieran la red, y que además tuvieran asignado un ancho de banda mínimo garantizado, y unas garantías aceptables en cuanto a los retrasos. Permite que las aplicaciones compartan la red El ancho de banda se reparte equitativamente. En este método el acho de banda debe de ser compartido proporcionalmente entre las aplicaciones o usuarios en forma de Round Robin o quantos de tiempo, sin dejar tráfico fuera de servicio. No dá garantías estrictas.

41 41 Esquema gráfico (CQ)

42 Mecanismos de cola QoS First-in First-out ( FIFO) Priority Queuing(PQ) Custom Queuing (CQ) Weighted Fair Queueing (WFQ) y otros

43 43 Weighted fair queuing (WFQ) Los mecanismos vistos anteriormente son estáticos, y por lo tanto no se adaptan a los cambios producidos en la red. Por ello ha sido necesario un mecanismo como WFQ, que es adaptativo. No dá garantías totales como PQ. WFQ es adaptativo a los cambios en la red WFQ es adecuado para situaciones donde se necesite un buen tiempo de respuesta, para usuarios que hagan tanto un uso elevado de la red, tanto como para los que hagan un uso más leve, sin añadir ancho de banda adicional. Cisco lo utiliza por defecto en enlaces inferiores a T1 (1,5 Mbps) Proporciona un buen tiempo de respuesta

44 44 Weighted fair queuing (WFQ) WFQ es un algoritmo de cola basado en flujos (o sesiones), que realiza dos tareas simultáneamente y de forma automática:  Organiza el tráfico (de tiempo real), poniéndolo al principio de la cola, reduciendo así el tiempo de respuesta.  Comparte equitativamente el resto del ancho de banda, entre el resto de tráfico de alta prioridad WFQ asegura que las diferentes colas no se queden privadas de un mínimo ancho de banda, de modo que el servicio proporcionado al tráfico es más predecible. Considera flujos de poco caudal con flujos sensibles al retardo, por ej. VOIP No es escalable dentro de una gran red. WFQ es un algoritmo basado en flujos.

45 45 Esquema gráfico (WFQ)

46 46 Funcionamiento de CBWFQ La falta de escalabilidade WFQ se soluciona con Class Based WFQ. Estructura interna del interface de salida Los paquetes llegan clasificados, ya no tenemos en cuenta los flujos independientes, solo la clase. ∑ Bw i < 75%

47 47 Definición de clases Las clases utilizadas en CBWFQ pueden asociarse a: Flujos (direcciones origen-destino, protocolo, puertos) Prioridades (campo DS differentiated service, otras etiquetas) Interfaces de entrada/salida VLAN Estas clases se implementan filtrando el tráfico con filtros en los routers. Este proceso se llama clasificación de tráfico, que puede ir acompañado a su vez con proceso de marcado de paquetes. El servicio recibido en función de esta clasificación se asocia a la política de servicio.

48 48 Low Latency Queue LLQ se comporta como una Priority Queue. LLQ es recomendable para tráfico multimedia (VoIP) que requiere de unas características muy especiales: bajo retardo y jitter. Se puede configurar junto al resto de colas CBWFQ como una cola más asociada a una clase determinada. V: voice

49 49 Sumario QoS y flujos: definición Modelos de servicio Modelo de colas Modelos de fragmentación y descarte

50 Mecanismos de fragmentación y descarte LFI (Link Fragment and Interleaving) Descarte selectivo de paquetes

51 51 Fragmentación e Inserción (LFI) Link Fragment and Interleaving Problema: Llegada de un paquete IP a su cola de prioridad(estando esta vacía) mientras está saliendo de router en ese momento otro paquete perteneciente a otra clase  retardo. El producido por un paquete con tamaño de MTU de 1500 bytes en una línea de 64 Kbps puede llegar: Retraso = ( 1500 bytes * 8 bits/byte) / 64.000 bps) = 187.5 ms Solución: Troceamos los paquetes de datos en ‘chunks’ de 10ms, es decir, que el tamaño de un paquete será igual al máximo flujo de información que se pueda enviar por la línea en 10 ms. Los paquete de VoIP deberán ser insertados entre estos paquetes, asegurando un retraso mucho menor. Los paquetes VoIP no deben fragmentarse !!

52 52 Antes 1500-bytes Trama de datos60-bytes Voz Retraso producido = 187.5 ms (Frame = 1500byte a 64 Kbps) Usando LFI DatosVozDatos Ejemplo de uso de LFI

53 53 Esquema gráfico LFI

54 Mecanismos de fragmentación y descarte LFI (Link Fragment and Interleaving) Descarte selectivo de paquetes

55 55 Congestión: RED & WRED Cuando simultáneamente, muchas conexiones TCP son cortadas por congestión, directamente reducen su caudal abruptamente, con lo cual desaparece la congestión. A continuación todas las conexiones aumentan su caudal de forma exponencial al comprobar que la congestión ha desaparecido, con lo cual, al poco rato la situación de congestión vuelve a producirse, además de producir un fenómeno oscilante. Solución: descartar paquetes sólo de una conexión, que viole los caudales preestablecidos y dejar intacta las demás. Existen mecanismo para el tratamiento de la congestión de la red que son beneficiosos. Entre estos se encuentran: RED (Random Early Detection) y WRED (Weighted Random Early Detection) y DWRED (Distributed WRED). Estos mecanismo evitan la congestión de la red y la probabilidad de pérdida. En caso de producirse una fuerte congestión pueden ser capaces de realizar el descartes de paquetes oportunos, es decir, no realizando un descarte paquete al azar, lo cual podría producir por ejemplo, la eliminación de un paquete clave que produjera la reacción del algoritmo slow-start de TCP.

56 56 RED (Random Early Detection) Provee a los operadores de la red, la posibilidad de aplicar normas para el manejo del tráfico y maximizar el throughput bajo condiciones de congestión. Trabaja junto a protocolos a nivel de transporte como TCP, evitando la congestión a aplicando una serie de algoritmos: Distingue entre ráfagas de tráfico temporal que pueden ser absorbidas por la red, y cargas excesivas de tráfico que pueden saturar la red. Trabaja en cooperación con el extremo generador de tráfico, para evitar la oscilación producida por el protocolo TCP, que puede causar ondas de congestión en la red. RED trabaja con TCP, para anticiparse y manejar la congestión en momentos de tráfico excesivo, para maximizar el througput mediante el descarte de paquetes.

57 57 WRED (Weigted Random Early Detection) Combina las capacidades de RED y de IP Precedence, para poveer diferentes clases de servicio en función de las características de la información. WRED también proporciona manejadores para tráfico prioritario en momentos de congestión. Además posee todas las capacidades anteriormente citadas para RED. WRED también puede colaborar con RSVP, proporcionando un controlador de carga, o indicando si es factible una reserva de espacio en alguna cola.

58 58 Esquema gráfico WRED