Comunicação Multicast [email protected]/fsmm/pdf/parte12.pdf · 5 Fundamentos de Sistemas Multimídia Comunicação Multicast A arquitetura genérica de um serviço de

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Fundamentos de Sistemas MultimídiaFundamentos de Sistemas Multimídia

Infra-estrutura de Telecomunicações para Aplicações Multimídia

Distribuídas

Profa. Débora Christina Muchaluat [email protected]

InfraInfra--estruturaestrutura dede Telecomunicações Telecomunicações para Aplicações Multimídia para Aplicações Multimídia

DistribuídasDistribuídas

Profa. Débora Christina Muchaluat [email protected]

Departamento de Engenharia de Telecomunicações Departamento de Engenharia de Telecomunicações -- UFFUFF

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InfraInfra--estrutura de Telecomunicaçõesestrutura de Telecomunicações

� Comunicação Multicast

� Provisão de Qualidade de Serviço – QoS

� Garantia de QoS• Mecanismos de escalonamento e policiamento

� QoS em Redes IP• Serviços Integrados e Diferenciados

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Comunicação MulticastComunicação Multicast

� Comunicação de grupo • corresponde à troca de dados de diferentes mídias entre

múltiplas entidades. • unidades de dados idênticas de um ou mais transmissores

devem ser transmitidas para um grupo de receptores.� Casos particulares

• Unicast pode ser definido como um caso particular de multicast, onde existe apenas um transmissor e um receptor, caracterizando assim uma comunicação ponto-a-ponto.

• Transmissão por difusão (broadcast) é um outro caso particular, quando temos uma transmissão para todos os participantes do sistema

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Serviço MulticastServiço Multicast

Transmissor não precisa ser membro do grupo (grupo aberto <> grupo fechado)

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Comunicação MulticastComunicação Multicast

� A arquitetura genérica de um serviço de multicast pode ser dividida em duas partes: • gerenciamento de grupo

– gerenciamento de grupo diz respeito a todas as ações relacionadas a composição do grupo

• manipulação de informações sobre os seus participantes e o controle sobre a entrada e saída de participantes ao grupo.

• construção de uma infra-estrutura de distribuição. – relacionada à forma de coordenação de recursos de forma a

tentar minimizar as replicações desnecessárias de mensagens.• Protocolos de roteamento são responsáveis por grande parte

desse trabalho

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Gerenciamento de grupoGerenciamento de grupo

� Um grupo é definido como um subconjunto de usuários para o qual é possível a transmissão de mensagens• várias entidades são representadas por nome e

endereço únicos– Endereço multicast

� A existência de um grupo é independente de haver troca de informação

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Gerenciamento de GruposGerenciamento de Grupos

� Distribuído:• Informações e controle dos grupos estão distribuídos pelo

sistemas de comunicação– Ex.: IGMP – IP Multicast

� Centralizado:• Existe a figura de um gerenciador de grupo centralizado,

que controla todas as atividades de gerenciamento do grupo– Ex.: MARS – IPOA

� Primitivas:• Criação - Create• Destruição - Destroy• Adesão - Join• Abandono - Leave

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Transmissão MulticastTransmissão Multicast

� Resolução de Endereços � Construção da infra-estrutura de distribuição e

roteamento

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� Resolução de Endereços • Realiza o mapeamento entre um endereço de nível N para

um ou mais endereços de nível N-1– Mapeamento direto– Protocolo de resolução

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Exemplo de Resolução de EndereçosExemplo de Resolução de Endereços

� Mapeamento Direto• Ex.: tradução de endereço IP multicast (Classe D)

para endereço MAC (Ethernet)� Endereço MAC multicast

� Começa com 01:00:5E� Últimos 23 bits do endereço IP são mapeados no endereço MAC

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Mapeamento IP multicast => MACMapeamento IP multicast => MAC

� 32 endereços IP multicast diferentes mapeiam para o mesmo endereço MAC multicast

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� Construção da infra-estrutura de distribuição e roteamento• Definição de um caminho através de entidades

intermediárias, formando árvore de distribuição. • árvore de multicast (ou canal de comunicação multicast) é

definida por uma comunicação 1 x n entre uma entidade origem e n destinos.

� Um protocolo de roteamento multicast é responsável pela construção de árvores de distribuição multicast e por habilitar a transmissão de dados multicast• Ex.: RPB, TRPB, RPM, DVMRP, MOSPF, PIM, CBT

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MBONEMBONE

� Multicast Backbone - Backbone Multicast da Internet

� conjunto interconectado de subredes e roteadores que suportam a entrega de tráfego IP Multicast.

� O objetivo do MBone é construir um testbed de IP multicast para habilitar o desenvolvimento de aplicações multicast sem esperar pelo desenvolvimento de roteadores com capacidade de multicast na Internet.

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Multicast backBONE (MBONE)Multicast backBONE (MBONE)

� MBONE é formado por roteadores multicast configurados para enviar multicast IP sobre IP

� Topologicamente, MBONE é uma inter-rede virtual composta de ilhas com capacidade interna de roteamento multicast conectadas a outras ilhas por meio de enlaces ponto-a-ponto virtuais chamados túneis

� Túneis são definidos individualmente para cada grupo (ou conjunto de grupos), e de maneira estática

HEADER IP Dados IP

Dados IP MulticastHeader IPMulticast

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MBONEMBONE

� Os túneis permitem tráfego multicast através de algumas partes da Internet sem capacidade de multicast.

� Pacotes de IP Multicast “entunelados” são encapsulados como IP-sobre-IP de modo que eles parecem pacotes IP unicast normais para os roteadores.

� O encapsulamento é adicionado na entrada de um túnel, e retirado na saída.

� A maioria dos roteadores MBone atualmente usam o protocolo de roteamento multicast DVMRP (Distance Vector Multicast Routing Protocol), embora algumas porções do MBone executem OSPF Multicast (MOSPF) ou Multicast Independente de Protocolo (PIM).

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GG

GG

GG

InterInter--rederede

IP D IP D

IP EIP EIP BIP B

IP A IP A

HH

HH

HH

HH

HH

HH

HH

HH

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InterInter--rederede

IlhaIlha 22

HH

HH

HH

HH

HH

HH

Ilha Ilha 11

túnel

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MMBBOONNE E

BRBR

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Aplicações MBONEAplicações MBONE

� Visual Audio Tool (vat)� Network Video (nv)� Network Voice Terminal (nevot) � INRIA Videoconferencing System (ivs) para

programas de áudio e vídeo� InPerson da Silicon Graphics� ShowMe da Sun Microsystems

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Qualidade de ServiçoQualidade de Serviço

� QoS pode ser definida como o conjunto das características (qualitativas e quantitativas) de processamento e comunicação suportadas por um serviço, que permite a provisão da funcionalidade desejada por usuários do ambiente. • Essa funcionalidade pode ser entendida como a capacidade

de processamento e comunicação para os dados de uma determinada mídia, por exemplo.

� Qualidade de Serviço (QoS) é um requisito da(s) aplicação(ões) para a qual exige-se que determinados parâmetros (retardos, vazão, perdas, ...) estejam dentro de limites bem definidos (valor mínimo, valor máximo).

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Qualidade de ServiçoQualidade de Serviço

� Objetivo:• Garantia de QoS fim-a-fim

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Fases de Provisão de QoSFases de Provisão de QoS

� Pode-se definir um modelo genérico de operação, para fornecedores com serviços de QoS, dividido nas seguintes fases:• Iniciação do fornecedor de serviços;• Requisição de serviços;• Estabelecimento de contratos de serviço;• Manutenção de contratos de serviço e• Término de contratos de serviço.

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Iniciação do fornecedor de serviçosIniciação do fornecedor de serviços

� Definição da infra-estrutura que dará suporte aos serviços oferecidos• Definição do estado interno do sistema

� Inclui informações sobre os recursos disponíveis no sistema• Estaticamente compartilhado (dedicado)

– Dispositivos de E/S• Dinamicamente compartilhado

– Processador, memória, enlaces de rede

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Requisição de serviçosRequisição de serviços

� Uma requisição se dá através da:• Caracterização do Tráfego

– Caracterização de carga a ser produzida ou consumida pelos usuários (Ex.: taxa de pico)

• Especificação da QoS desejada (retardo de trânsito máximo)– Deve ser compatível com o nível de abstração do usuário

• Mapeamento de QoS

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Especificação da QoSEspecificação da QoS

� Contém informações relativas ao nível de serviço desejado pelo usuário. Exemplos:• Melhor esforço (best effort)

– Fornecedor não dá nenhuma garantia de que a QoS será mantida dentro dos limites

• Garantido– Manutenção da QoS dentro dos limites deverá ser garantida de

qualquer forma. Usuário só será aceito se a QoS desejada puder ser mantida.

• Probabilístico– Fornecedor deve periodicamente monitorar o serviço,

interrompendo-o caso a QoS não possa ser mantida dentro dos limites com a probabilidade especificada

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Estabelecimento de contratos de serviçoEstabelecimento de contratos de serviço

� Contrato de Serviço = Service Level Agreement (SLA)� A orquestração dos recursos determina os recursos

necessários em cada um dos subsistemas escolhidos.� Ao receber uma nova requisição de serviço, o fornecedor

determina se o ambiente tem recursos suficientes para manter a QoS desejada pelo usuário. • Os mecanismos de controle de admissão de fluxos são os

responsáveis por esses testes, que levam em conta, além do estado interno atual do fornecedor, a caracterização da carga e a especificação da QoS informadas pelos usuários durante a requisição de serviços.

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� Se o ambiente tiver recursos suficientes, o fornecedor admitirá o fluxo do usuário e fará a alocação dos recursos necessários para servi-lo

� Senão, ele poderá:• rejeitar o fluxo do usuário• ou lhe sugerir uma outra especificação de QoS factível de

ser satisfeita. � Nesse último caso, se o usuário aceitar a nova proposta,

seu fluxo é admitido, senão é rejeitado, podendo o usuário tentar requisitar o serviço novamente em outra oportunidade. • Estes ciclos de requisição e resposta entre os usuários e o

fornecedor são providos pelos mecanismos de negociação da QoS.

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� SLA pode ser:• Estático:

– reserva de recursos e configuração do provedor são feitas manualmente pelo administrador

• Dinâmico: – uso de um protocolo de sinalização específico

� A provisão de serviços no modo dinâmico pode ser feita de forma:• Centralizada

– Existência de um negociador de recursos ou Bandwith Broker (BB)– Exemplo de protocolo de sinalização - COPS

• Distribuída – cada estação e roteador presente no provedor é dotado de um

negociador próprio, responsável pelas decisões locais de reserva de recursos

– Exemplo de protocolo de sinalização - RSVP

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Manutenção de contratos de serviçoManutenção de contratos de serviço

� Dentre os mecanismos presentes nessa fase, estão incluídos os de• escalonamento de recursos

– Compartilhamento dinâmico de recursos entre diversos fluxos de dados presentes em um ambiente, de maneira tal que a QoS negociada para cada fluxo possa ser mantida, e que a utilização dos recursos seja a mais otimizada possível.

• monitorização de fluxos– registro da carga efetivamente gerada pelos usuários e da QoS

realmente oferecida pelo fornecedor.– Policiamento dos fluxos

• sintonização da QoS– manutenção da orquestração de recursos definida durante a negociação

da QoS, sem que haja a necessidade de interrupção (isto é, renegociação) do fornecimento do serviço.

• ajustes ou uso de recursos alternativos

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Término de contratos de serviçoTérmino de contratos de serviço

� O cliente deve informar ao provedor a sua intenção em finalizar o contrato estabelecido.

� O provedor inicia o procedimento de liberação dos recursos que haviam sido reservados nos vários subsistemas envolvidos com o fornecimento do serviço correspondente.

� Nos casos em que o próprio contrato especifica o período em que o serviço será fornecido, os procedimentos de finalização podem ser automatizados.

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Parametrização de ServiçosParametrização de Serviços

� Informações sobre o comportamento dos fluxos dos usuários e da infra-estrutura existente no ambiente podem ser estruturadas através do uso de parâmetros de caracterização do serviço.• Parâmetros de desempenho do fornecedor

– retardo de transmissão instantâneo• Parâmetros de caracterização de carga

– vazão máxima• Parâmetros de especificação da QoS

– retardo de transmissão máximo

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Parâmetros de QoSParâmetros de QoS

� Parâmetros mais comuns:• Vazão (banda)• retardo (latência)

– Retardo de propagação– Velocidade de transmissão– Tempo de processamento nos equipamentos

• Jitter• Taxa de perdas, taxa de erros• Disponibilidade

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jitterjitter

� Variação de retardo

� Efeito do jitter

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Enlace de 1,5 Mbps

Fila de interfacede saída de R1

GarantiaGarantia dede QoSQoS

� Modelo simples usado como exemplo:

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Princípios para GarantiasPrincípios para Garantias de de QoSQoS

� Considere uma aplicação de áudio a 1 Mbps e uma aplicação FTP compartilhando um enlace de 1.5 Mbps. • rajadas de tráfego FTP podem congestionar o roteador e fazer com que

pacotes de aúdio sejam perdidos. • deseja-se dar prioridade ao aúdio sobre o FTP

� PRINCÍPIO 1: Marcação dos pacotes é necessária para o roteador distingüir entre diferentes classes; assim como novas regras deroteamento para tratar os pacotes de forma diferenciada

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Princípios para GarantiasPrincípios para Garantias de de QoSQoS

� Considere uma aplicação de áudio a 1 Mbps e uma aplicação FTP de alta prioridade compartilhando um enlace de 1.5 Mbps. • Pacotes FTP têm prioridade sobre os de áudio

� PRINCÍPIO 1 (modificado): Classificação dos pacotes é necessária para o roteador distingüir entre diferentes classes; assim como novasregras de roteamento para tratar os pacotes de forma diferenciada

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Princípios para GarantiaPrincípios para Garantia de de QoSQoS

� Considere uma aplicação de áudio mal comportada e uma aplicação FTPcompartilhando um enlace de 1.5 Mbps.

• aúdio envia pacotes numa taxa superior a 1 Mbps anteriormente assumida; • Tráfego FTP não será atendido

� PRINCÍPIO 2: fornecer proteção (isolamento) para uma classe em relação às demais

� Exige mecanismos de policiamento para assegurar que as fontes atendem aos seus requisitos de banda passante. Classificação e policiamento precisam ser feitos nas bordas da rede (sistema final ou roteador deborda):

classificação de pacotes e policiamento

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� Alternativa à marcação e policiamento: alocar uma porção da taxa de transmissão a cada fluxo de aplicação; pode produzir um uso ineficiente da banda se um dosfluxos não usa toda a sua alocação

� PRINCÍPIO 3: Embora fornecendo isolamento, é necessário usar os recursos da forma mais eficiente possível


marcação de pacotes

enlace lógico de 1 Mbps

enlace lógico de 0,5 Mbps

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� Considere duas aplicações de áudio a 1 Mbps� Não deve ser aceito tráfego além da capacidade do enlace � PRINCÍPIO 4: É necessário um Controle de Admissão; a

aplicação declara a necessidade do seu fluxo, a rede pode aceitar ou bloquear a chamada se a necessidade não puder ser satisfeita


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Resumo Resumo

QoS para aplicações em redes

clas

sifi

caçã

o de

pac

otes

Isol

amen

to: e

scal

onam

ento

e

polic

iam

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dos

flu

xos

alta

efi

ciên

cia

de u

tiliz

ação

Cont

role

de

adm

issã

o

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MecanismosMecanismos dede EscalonamentoEscalonamento

� Escalonamento: a escolha do próximo pacote para transmissão num enlace pode ser feita deacordo com várias regras:• FIFO• Filas com Prioridade• Round Robin• Weighted Fair Queuing (fila justa ponderada)

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� FIFO (first-in-first-out) ou FCFS (first-come-first-served): na ordem de chegada na fila• pacotes que chegam são enfileirados no buffer ou, caso o

buffer esteja cheio, são descartados, ou uma política dedescarte é usada para determinar qual pacote descartar entre aquele que chega e aqueles que já estão na fila

chegadas partidas

enlace(servidor)

fila(área de espera)

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� Filas com Prioridade: classes têm diferentes prioridades; classes podem depender de marcação explícita ou deoutras informações no cabeçalho, tais como, o endereçode origem ou de destino, número de portas, etc.

� Transmite um pacote da prioridade mais alta que esteja presente na fila

� Exemplo de versão não-preemptiva

chegadas

classificação

fila de baixa prioridade(área de espera)

fila de alta prioridade(área de espera)

partidas

partidas

chegadas

pacotesno

servidor

tempo

tempoenlace(servidor)

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� Round Robin: percorre as classes presentes na fila,servindo um pacote de cada classe que tem pelo menosum representante na fila

chegadas

pacote em serviço

partidas

tempo

tempo

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� Weighted Fair Queuing (fila justa ponderada): éuma forma generalizada de Round Robin na qualse tenta prover a cada classe um volumediferenciado de serviço num dado período de tempo


classificadorde chegadas

partidas

enlace

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MecanismosMecanismos dede PoliciamentoPoliciamento

� Três critérios: • Taxa Média

– Limite da taxa média por intervalo de tempo– o aspecto crucial é o tamanho do intervalo de tempo (100

pacotes por segundo ou 6000 pacotes por minuto??) – Período relativamente longo

• Taxa de Pico– ex. 6000 pacotes por minuto na média e 1500 pacotes por

segundo de pico• Tamanho da Rajada

– número máximo de pacotes enviados consecutivamente, isto é, num curto período de tempo

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� Mecanismo Leaky Bucket / Token Bucket (baldede permissões), oferece um meio de limitar aentrada dentro de um tamanho de rajada e uma taxa média especificados.


pacotes esperatoken para a

rede

balde pode conter até b tokens

r tokens/seg

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� Balde pode armazenar b tokens; tokens são gerados numa taxa de r token/seg exceto se o balde está cheio.

� Num intervalo de tempo t, o número de pacotes que são admitidos é menor ou igual a (rt + b).

� Token bucket e WFQ podem ser combinados para prover um limitesuperior ao retardo.


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� Token bucket e WFQ podem ser combinados para prover um limitesuperior ao retardo.

� R = taxa de transmissão no enlace� R x wi / (∑∑∑∑wj) = taxa da fila i� Retardo máximo da fila i = bi / (R x wi / (∑∑∑∑wj))


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Qualidade de Serviço na InternetQualidade de Serviço na Internet

� Situação atual• Internet de hoje fornece um serviço do tipo melhor esforço

– tráfego é tratado tão rápido quanto possível– não há garantias temporais ou limites de erro

� Clientes exigem mais• Internet é hoje uma infra-estrutura comercial

– fornecimento de qualidade de serviço está sendo considerada cada vez mais um requisito essencial

– qualidade + serviço = capacidade para diferenciar entre tráfego ou tipos de serviço, de forma que o sistema possa tratar uma ou mais classes de tráfego diferentemente de outras

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Qualidade de Serviço na InternetQualidade de Serviço na Internet

� Trabalhos da IETF relacionados com garantias de QoS• IETF tem proposto vários modelos de serviço e mecanismos

para satisfazer a necessidade de QoS na Internet– proporcionando um melhor controle sobre o tráfego na Internet

• na forma de priorização de certas aplicações (com certas restrições temporais) em detrimento do restante (tráfego essencialmente melhor esforço)

• Entre estes trabalhos estão:– IntServ - modelo de Serviços Integrados– DiffServ - modelo de Serviços Diferenciados

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Serviços IntegradosServiços Integrados

� Serviços Integrados (IntServ)• IntServ é baseado na reserva de recursos

– aplicações devem primeiro configurar caminhos e reservar recursos antes dos dados serem transmitidos

– Circuito Virtual!!

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Serviços Integrados (IntServ)Serviços Integrados (IntServ)

� Serviços Integrados (IntServ)• alta granularidade na reserva de recursos, realizada

por fluxos individuais.• Roteadores devem ser capazes de reservar recursos

para fornecerem QoS especial para fluxos de pacotes específicos do usuário

– estados específicos dos fluxos devem ser mantidos pelos roteadores

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� Identificação de um fluxo• versão 4 do IP (IPv4), pela concatenação dos seguintes

campos, presentes no cabeçalho dos pacotes: – endereços IP de origem e destino, tipo do protocolo de

transporte e portas de origem e destino. – Acrescenta-se a esses campos o identificador da sessão de QoS.

• versão 6 do protocolo IP (IPv6) introduziu o campo flow label, identificando os fluxos de forma mais eficiente, pela simples leitura do endereço do transmissor juntamente com o campo flow label.

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AdmissãoAdmissão dede ChamadasChamadas

� A sessão deve primeiramente caracterizar o tráfego que ela enviará através da rede e solicitar seus requisitos• T-spec: define as características de tráfego• R-spec: define a QoS sendo solicitada

� Um protocolo de sinalização transporta a R-spec e a T-spec aos roteadores onde a reserva deve ser pedida• RSVP – Resource reSerVation Protocol

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AdmissãoAdmissão dede ChamadasChamadas

� Roteadores realizam o controle de admissão com base nas suas R-spec e T-spec e com base nos recursos correntemente alocados nos roteadores para outras chamadas.

1. Pedido: especifica - tráfego (Tspec) - garantia (Rspec)

2. Elemento considera- recursos não reservados- recursos solicitados

3. Resposta: o pedido podeou não ser atendido

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� Classes de Serviço Propostas• Serviço Melhor Esforço• Serviço Garantido

– projetada para aplicações de tempo real críticas que são muito sensíveis ao retardo e a sua variação

– garantia de retardo máximo fim-a-fim, sem perda de pacotes– Caracterização do tráfego (Tspec) + especificação da QoS (Rspec)

• Serviço de Carga Controlada– projetada para as aplicações IP de hoje que se comportam bem quando

a rede não está carregada– Retardo baixo, próximo ao oferecido por um serviço de melhor-esforço

em uma infra-estrutura de rede controlada (sem congestionamento).– Caracterização do tráfego (Tspec)

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� Problemas da Arquitetura Serviços Integrados• Montante de informações de estado aumenta

proporcionalmente ao número de fluxos– causa uma sobrecarga de armazenamento e processamento

nos roteadores (arquitetura não é escalável)• Requisitos nos roteadores são altos

– todos os roteadores devem implementar RSVP, controle de admissão, classificação e escalonamento de pacotes

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Serviços Diferenciados (DiffServ)Serviços Diferenciados (DiffServ)

� Origem • Surgiu devido as dificuldades de implementar e

utilizar Serviços Integrados/RSVP� Princípio

• Agregação de fluxos em classes de serviço• Pacotes são marcados diferentemente para criar

várias classes de pacotes– pacotes de diferentes classes recebem diferentes

serviços

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� Classificação dos pacotes pode ser feita de 2 formas:• baseada em vários campos do cabeçalho dos pacotes

– endereços de origem e destino, tipo e porta do protocolo de transporte, etc

– chamada classificação MF (Multi Field)• baseada simplesmente, no campo DS, sendo, neste caso,

denominada de classificação BA (Behavior Aggregate). – campo TOS (Type Of Service) do cabeçalho do pacote IPv4 ou

campo Class do cabeçalho do pacote IPv6 • setado pelo roteador de entrada do domínio diffserv ou pelo

usuário

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� Roteador de borda • Classificação

� Roteador central• encaminhamento

roteador de borda: classificação,policiamentoroteador central:

envio

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� O modelo diffserv não padroniza serviços, especificando apenas comportamentos de encaminhamento ou PHBs (Per Hop Behaviors).

� Um PHB descreve como será realizado o encaminhamento dos pacotes pertencentes a uma mesma classe em cada roteador:• EF (Expedited Forwarding)

– recomendável ao fornecimento de serviços com baixo retardo e variação, taxa de erros controlada e largura de banda assegurada.

• AF (Assured Forwarding)– permite a implementação de serviços com diferentes níveis de

garantia de QoS, como os serviços probabilísticos, por exemplo.– Serviços olímpicos

• Ouro, Prata e Bronze

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� Diferenças dos Serviços Integrados:• Há apenas um número limitado de tipos de serviço indicados

no campo DS– conjunto de informações de estado é proporcional apenas ao

número de classes e não proporcional ao número de fluxos– Serviços Diferenciados é mais escalável do que Serviços

Integrados • Operações de classificação, marcação, policiamento e

retardo são apenas necessárias nas fronteiras das redes– funções simples no interior da rede

• Não define classes de serviço, ao invés disso fornece componentes funcionais com os quais as classes de serviço podem ser construídas

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Serviços Integrados sobre DiferenciadosServiços Integrados sobre Diferenciados

� intserv nas redes de acesso • melhor razão utilização dos recursos / custo obtida com a

reserva por fluxo característica desse modelo• maior número atual de aplicações adaptadas a algum

mecanismo de solicitação de serviços intserv, normalmente empregando uma das diversas APIs existentes no mercado

� diffserv nos provedores de backbone• Razões de escalabilidade

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