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Presentación de PowerPoint Powered By Docstoc
					 Evaluación de mecanismos de calidad
de servicio en los routers para servicios
               multimedia




                                      Santiago Felici
          Doctorado: Sistemas y Servicios Telemáticos
                                                  1
                  Sumario

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




                                          2
                        ¿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.    3
    Requerimientos de Calidad de
     Servicio de las aplicaciones

       Aplicación              Fiabilidad Retardo          Jitter   Ancho de Banda
   Correo electrónico            Alta (*)        Alto       Alto            Bajo
Transferencia de ficheros        Alta (*)        Alto       Alto           Medio
      Acceso Web                 Alta (*)      Medio        Alto           Medio
      Login remoto               Alta (*)      Medio      Medio             Bajo
  Audio bajo demanda              Media          Alto     Medio            Medio
  Vídeo bajo demanda              Media          Alto     Medio             Alto
        Telefonía                 Media         Bajo       Bajo             Bajo
   Vídeoconferencia               Media         Bajo       Bajo             Alto

(*) La fiabilidad alta en estas aplicaciones se consigue automáticamente al utilizar
el protocolo de transporte TCP

                                                                                       4
   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.

                                                                      5
  Ejemplo: Necesidad QoS en
 VoIP (telefonía sobre Internet)
• Perdida de paquetes < 1%
  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.

• 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
                                                               6
  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).
                                                   7
                          Efectos de la congestión en el tiempo
                              de servicio y el rendimiento
                                                                                              Aquí QoS!!

                        Sin     Congestión      Congestión                      Sin     Congestión    Congestión
Tiempo de Servicio




                     Congestión Moderada          Fuerte                     Congestión Moderada        Fuerte




                                                     Carga     Rendimiento                                    Carga

                     QoS inútil   QoS útil   QoS inviable                    QoS inútil   QoS útil   QoS inviable
                                  y viable                                                y viable




                                                             Por efecto de retransmisiones                    8
          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)


                                                        9
      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

                                                    10
                    Red Internet

                             Mirar prioridad y
                               aplicar QoS

Mirar prioridad y                                  Mirar prioridad y
  aplicar QoS                                        aplicar QoS




                     H.323, lo marco
                     como prioritario


                                                      Aplico QoS, y
                                   Trafico H.323
                                                     quito las marcas
                                   Trafico FTP
                                   Trafico HTTP

                                                                        11
        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)                                          12
              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.

                                                       13
Flujos en una videoconferencia




        A                                            B
  147.156.135.22                                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


                                                                  14
   Agrupación de flujos o clases en vídeo
              Flujo ‘rojo’ (128 Kb/s):
              147.156.21.20.2038158.26.112.76.2127


                                    Reserva total flujos de vídeo:
                                    en sentido X Y: 384 Kb/s


 Vídeo 128 Kb/s
IP: 147.156.21.20                                                    IP: 158.26.112.76
Puerto UDP: 2038                                                     Puerto UDP: 2127
                           X                              Y




                     Flujo ‘verde’ (256 Kb/s):
                     147.156.47.12.3124158.26.36.97.5753             IP: 158.26.36.97
                                                                     Puerto UDP: 5753
  Vídeo 256 Kb/s
IP: 147.156. 47.12
Puerto UDP: 3124                128 Kbps + 256 Kbps= 384 Kbps                    15
       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)




                                               16
                  Sumario

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




                                          17
     Arquitectura QoS en una red


 •    No todos los routers tienen la misma
     estructura:
                                    Routers del
                                    interior


 Routers
del borde


                                              18
    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 borde            Routers del interior


      Clasificación de paquetes.    Tratamiento de la
      Control de admisión.           congestión.
      Administración de la          Evitar congestión.
       configuración.
                                                            19
MODELOS DE SERVICIO
          (QoS)

   • Best-Effort Service
   • Integrated Service
   • Differentiated Service
          Best-Effort Service

• Es el modelo más sencillo.
   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.

• 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)
                                                           21
MODELOS DE SERVICIO
          (QoS)

   • Best-Effort Service
   • Integrated Service
   • Diferentiated Service
         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.


                                                      23
              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.
                                                            24
              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.


                                                            25
              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              Guaranteed Rate Service
  usarse 2 mecanismos            Equivalente en ATM a CBR, VBR-rt

                                Controled Load Service
  (o clases de servicio)
                                  Equivalente en ATM a VBR-nrt

                                                                    26
     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.
                                              27
MODELOS DE SERVICIO
          (QoS)

   • Best-Effort Service
   • Integrated Service
   • Differentiated Service
           Differentiated Service
• Modelo basado en uso de múltiples clases.
  Differentiated Service es un modelo de múltiples servicios que puede
   satisfacer diferentes requerimientos de QoS.

• 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                             29
 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.

                                          30
                  Sumario

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




                                          31
Mecanismos de cola
            QoS
• First-in First-out (FIFO)
• Priority Queuing(PQ)
• Custom Queuing (CQ)
• Weighted Fair Queueing (WFQ)
  y otros
            FIFO, el más básico
• Usa la técnica de Almacenamiento y reenvío
 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)
                                                             33
                     FIFO

• 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.
   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.


                                                      34
Mecanismos de cola
            QoS
• First-in First-out (FIFO)
• Priority Queuing(PQ)
• Custom Queuing (CQ)
• Weighted Fair Queueing (WFQ)
  y otros
       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.
                                                            36
       Prioritizing Traffic (PQ)
• Clasificación: Protocolo,interfaz de acceso
  dir. Origen y destino, tamaño del paquete.
   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.

• 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.
                                                         37
Esquema gráfico (PQ)




                       38
Mecanismos de cola
            QoS
• First-in First-out (FIFO)
• Priority Queuing(PQ)
• Custom Queuing (CQ)
• Weighted Fair Queueing (WFQ)
  y otros
        Custom Queueing (CQ)
• Permite que las aplicaciones compartan la red
  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.

• 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.                          40
Esquema gráfico (CQ)




                       41
Mecanismos de cola
            QoS
• First-in First-out (FIFO)
• Priority Queuing(PQ)
• Custom Queuing (CQ)
• Weighted Fair Queueing (WFQ)
  y otros
   Weighted fair queuing (WFQ)
• WFQ es adaptativo a los cambios en la red
  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.
• Proporciona un buen tiempo de respuesta
  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)                                                     43
      Weighted fair queuing (WFQ)
   • WFQ es un algoritmo basado en flujos.
 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.
                                                              44
Esquema gráfico (WFQ)




                        45
     Funcionamiento de CBWFQ
La falta de escalabilidade WFQ se soluciona con Class Based WFQ.
Estructura interna del interface de salida




                                                    ∑ Bwi < 75%


            Los paquetes llegan clasificados, ya no tenemos
            en cuenta los flujos independientes, solo la clase.

                                                                  46
               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.
                                                                     47
             Low Latency Queue
LLQ se comporta como una Priority Queue.

                                                                    V: voice




• 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.
                                                                            48
                 Sumario

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




                                          49
Mecanismos de fragmentación y
          descarte

• LFI (Link Fragment and Interleaving)
• Descarte selectivo de paquetes
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 !!

                                                                     51
   Ejemplo de uso de LFI

                Antes

60-bytes Voz    1500-bytes Trama de datos

                       Retraso producido = 187.5 ms
                       (Frame = 1500byte a 64 Kbps)



                Usando LFI


      Datos    Datos         Voz          Datos

                                                      52
Esquema gráfico LFI




                      53
Mecanismos de fragmentación y
          descarte

• LFI (Link Fragment and Interleaving)
• Descarte selectivo de paquetes
         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.
                                                                          55
       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.


                                                                              56
     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.

                                                         57
Esquema gráfico WRED




                       58

				
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