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4. QoS - Qualidade de Serviço falencar/arquivos-flavio-uerj/redes... · PDF file 2020. 7. 21. · UERJ 2020 Redes de Comunicações 2 Pg. 147 Cap. 5 – QoS e Multimídia As classes

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  • N O T A S D E A U L A , R E V 9 . 0 – U E R J 2 0 2 0 – F L Á V I O A L E N C A R D O R Ê G O B A R R O S

    Redes de Comunicações 2

    QoS – Qualidade de Serviço e

    Multimídia

     Flávio Alencar do Rego Barros Universidade do Estado do Rio de Janeiro

    E-mail: [email protected]

    Capítulo

    5

    mailto:[email protected]

  • UERJ 2020 Redes de Comunicações 2 Pg. 143

    Cap. 5 – QoS e Multimídia

    Com o crescimento do uso de multimídia através da Grande Rede, as técnicas

    tradicionais da Internet (roteamento, confiabilidade na entrega, controle de fluxo,

    controle de congestionamento, etc) não se mostraram suficientes para dar as garantias

    exigidas de qualidade de serviço (QoS). QoS está associado originalmente a redes

  • UERJ 2020 Redes de Comunicações 2 Pg. 144

    Cap. 5 – QoS e Multimídia

    orientadas à conexão, pois quando é estabelecido um circuito, se faz a reserva de

    recursos da rede. As técnicas que tratarem disto para a Internet deverão privilegiar um

    conceito novo: o fluxo. Entenda-se fluxo por uma seqüência de pacotes encaminhados

    da fonte emissora para o(s) destino(s), mantendo estes pacotes características

    semelhantes e merecendo tratamento também semelhante do núcleo da rede. O alvo

    desta forma de pensar a Rede é lidar com multimídia, nas suas diversas formas: mídia

    contínua (streaming media), videoconferência, VoIP (voz sob IP), IPTV (TV sob IP),

    etc.

    Para uma rede não orientada à conexão (como a Internet, que é implementada

    pela suíte TCP/IP!), os pacotes pertencentes a um mesmo fluxo podem seguir rotas

    diferentes, portanto, nelas devem ser estabelecidas “pseudo-conexões” obtidas por

    agregação de pacotes que formem um fluxo. A questão a ser resolvida é:

    “Como compatibilizar esta característica da Internet com os quatro parâmetros básicos

    de QoS (confiabilidade na entrega com controle de perdas, retardo, jitter e

    banda)?”.

    Como ilustrado no slide 5-3, conforme a aplicação em questão, as exigências de

    QoS são muito diferentes. Enquanto as 4 primeiras (e-mail, transferência de arquivos,

  • UERJ 2020 Redes de Comunicações 2 Pg. 145

    Cap. 5 – QoS e Multimídia

    acesso Web e login remoto) são exigentes em confiabilidade (sequer um bit pode ser

    perdido!), as quatro últimas (todas dependentes de áudio/vídeo) toleram perdas.

    Enquanto aplicações que envolvam basicamente transferência de arquivos (download, e-

    mail, áudio e vídeo) não são sensíveis ao atraso, pois podem ser retardadas

    uniformemente até mesmo alguns segundos, aplicações interativas (login remoto, acesso

    Web) já são mais sensíveis ao atraso. Pior ainda, aplicações tempo real (telefonia,

    videoconferência) são intolerantes ao atraso. Muitas das aplicações mostradas nada

    sofrem com o jitter, mas vídeo, e principalmente, áudio, podem ter resultados

    catastróficos. Finalmente, a banda é outro parâmetro de exigências disparatadas: em um

    extremo (alta tolerância) temos e-mail e login remoto, noutro, vídeo.

    Voltemos ao nosso problema base. O grande número de fluxos no interior da Rede

    poderá inviabilizar a introdução de QoS na Internet, pois os roteadores não teriam

    capacidade para armazenar estado de cada fluxo, ou tratar cada fluxo diferentemente.

    Uma forma simplificada de prover QoS é agregar diversos fluxos em poucas classes de

    serviços (CoS), situação que vai exigir que cada pacote carregue no seu cabeçalho a

    classe a qual ele pertence.

  • UERJ 2020 Redes de Comunicações 2 Pg. 146

    Cap. 5 – QoS e Multimídia

    Com o advento do ATM pensava-se resolver estes problemas, pois ele já

    pressupunha diferentes classes de serviço como nós já estudamos (CBR, VBR, ABR e

    UBR). Porém, por diversas razões, principalmente de ordem econômica, esta tecnologia

    não vingou e, provavelmente, não vingará totalmente na Internet, o que induziu a

    pesquisa para dotar a Internet, como ela é, de QoS. Algumas outras propostas iniciais

    (nenhuma delas, porém, se mostraram plenamente satisfatórias) foram:

    1) Sobre-provisionamento: seria simples se se oferecesse uma maior capacidade no

    roteador, maiores espaços de buffer e de banda, mas isto é caro e poderia se tornar

    inviável (o sistema telefônico usa esta estratégia, observe que dificilmente você deixa

    de receber o tom de discagem).

    2) Bufferização: esta técnica não afeta a confiabilidade ou a banda, mas aumenta o

    atraso (este o seu malefício) e elimina o jitter (este o seu benefício). Portanto, presta-

    se a áudio e vídeo sob demanda, mas já não serve para aplicações em tempo real.

    O estado atual da pesquisa no assunto tem levado a propostas de conformação e

    priorização de tráfego, reserva de recursos, controle de admissão, escalonamento de

    pacotes e roteamento consciente de QoS. Este conjunto técnicas tem se abrigado em

    duas tecnologias que tem sido conhecidas como IntServ (Serviços Integrados) e

    DiffServ (Serviços Diferenciados) que analisaremos.

  • UERJ 2020 Redes de Comunicações 2 Pg. 147

    Cap. 5 – QoS e Multimídia

    As classes de serviço podem ser implementadas ou baseadas na camada 2

    (MAC) através do novo padrão IEEE802.1p, que dá a pacotes de classe mais alta um

    tratamento privilegiado, ou então baseadas na camada 3, através da definição de um

    comportamento padrão (PHB – per-hop behavior) dispensado a cada classe. Esta última

    modalidade parte do TOS (Type of Service), campo que já existe desde o IPv4 (e não

    era usado!) e agora é reinterpretado na tecnologia DiffServ. O slide 5-5 resume as

    diversas formas de prover alguma QoS na Internet.

    Estaremos particularmente interessados em como lidar com multimídia pela

    Internet, o que significa uma dentre as três formas seguintes:

    a) streaming media armazenada;

    b) streaming “ao vivo”;

    c) tempo-real, interativo.

    Todos eles envolvem parâmetros de QoS.

    Por ora, vamos detalhar os tais parâmetros de QoS, os problemas que a Internet

    tradicional terá para implementá-los e técnicas introduzidas para resolver tais

    problemas.

  • UERJ 2020 Redes de Comunicações 2 Pg. 148

    Cap. 5 – QoS e Multimídia

    Via de regra, o retardo de processamento (rrPPRROOCC) é desprezível em face dos

    outros retardos, e o retardo de fila (rrFFIILLAA) é bastante variável. O retardo de transmissão

    (rrTTRRAANNSS) depende do tamanho médio do pacote (PP bits) e da capacidade do enlace (BB

    bps) e vale PP//BB segs. Se a distância entre dois roteadores vizinhos é dd metros e a

    velocidade de propagação no enlace é de vv metros/seg, o retardo de propagação (rrPPRROOPP)

    será de dd//vv segs.

    Todos estes retardos (vide slide 5-7) são, via de regra, desprezíveis (ordem de

    micro segs) em presença do retardo de enfileiramento, mas não se deve esquecer que

    rrPPRROOPP pode alcançar 100´s msegs para enlaces de satélite geoestacionário; rrTTRRAANNSS pode

    também alcançar 100´s msegs para pacotes enviados por modems de 28.8 Kbps; rrPPRROOCC

    influencia bastante a vazão máxima de um roteador.

    Retardo de fila: Seja  a taxa média de chegada de pacotes no roteador, então PP é a

    taxa média de chegada de bits no mesmo, e, portanto, PP//BB é a intensidade de tráfego

    produzida (confira as medidas destes fatores! Sugiro rever também Redes 1, capítulo 2).

    Se PP//BB >> 11 significa que a taxa de chegada é maior que a de atendimento (saída), e

    o roteador que tenha um buffer limitado (e todos têm!) deverá descartar pacotes.

    Se PP//BB  11 significa que o problema é tratável, mas deveremos ainda considerar a

    natureza do tráfego.

  • UERJ 2020 Redes de Comunicações 2 Pg. 149

    Cap. 5 – QoS e Multimídia

    a) Se a chegada de pacotes no roteador é periódica simples (um pacote chega a cada PP//BB

    segundos), então não há fila e rrFFIILLAA = 0 !

    b) Se pacotes chegam ainda periodicamente, mas em rajadas, o n-ésimo pacote

    experimentará retardo de ((nn –– 11))PP//BB segs.

    c) Se a chegada é aleatória, o retardo na fila pode variar de desprezível a incontrolável,

    como ilustrado no slide 5-8.

    Se considerarmos agora que da origem ao destino existem RR roteadores em iguais

    condições, as mesmas que o host emissor, o retardo total fim a fim será (demonstre!):

    rrTTOOTTAALL == ((RR++11))..((rrPPRROOCC ++ rrTTRRAANNSS ++ rr PPRROOPP)) ++ RR..rrFFIILLAA

  • UERJ 2020 Redes de Comunicações 2 Pg. 150

    Cap. 5 – QoS e Multimídia

    Para áudio ou vídeo contínuo existe uma solução de compromisso entre retardar

    a reprodução dos pacotes de forma fixa e a perda de pacotes, como ilustrado no slide 5-

    9. O emissor gera os pacotes a intervalos regulares (em azul). A linha vermelha denota a

    chegada dos pacotes (incorporando,