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Controle de QoSEm
Redes Convergentes
Dr. Denis Gabos, Eng.Coordenador Tecnologia em Redes de Computadores
Centro Universitário SENACCampus Santo Amaro
Agenda
INTRODUÇÃO1Caracterização de Tecnologias Convergentes Motivação
CONCEITOS GERAIS2QoS e Controle de QoSArquitetura ConceitualArquiteturas Edge-to-edge
ARQUITETURAS COMPLETASE TECNOLOGIAS3
IntServ e DiffServMPLSControle de QoS no IPv6
EXEMPLO4 Rede SADIA
1INTRODUÇÃO
Redes Convergentes
São aquelas que suportam a integração de
dados, voz (áudio) e vídeo
com suas respectivas necessidades de qualidade de serviço,
isto é,
suportam aplicações multimídia, de voz e de comunicação de
dados, todas juntas numa mesma rede.
Benefícios da Convergência
Redes por comutação de circuitos desperdiçam banda. As redes
por comutação de pacotes e as redes IP em particular otimizam a
utilização dessa banda.
Existência de uma única infra-estrutura de rede com interface única
padronizada para acesso de voz, dados e vídeo.
Acabam com a sobreposição de redes, que geram custos mais
elevados por multiplicação de custos.
Uso de tecnologias abertas (IP).
Etc...
Parâmetros de Qualidade de Serviço
Parâmetros de Qualidade de Serviço:
» Vazão
» Atraso de Trânsito
» Variação do Atraso de Trânsito (jitter)
» Taxa de Erro
» Disponibilidade
As Aplicações e a Qualidade de Serviço
As aplicações variam em suas exigências sobre os parâmetros de QoS.
As redes convergentes precisam acomodar e integrar todas essas exigências.
PE: Pouco Exigente; E: Exigente; ME: Muito Exigente.
AplicaçõesQuesitos
Dados Dados Gráficos
Voz Voz Interativa Vídeo Vídeo
Interativo
Vazão/Banda PE E E E ME ME
AtrasoPE PE E ME E ME
Variação do Atraso PE PE ME ME ME ME
Taxa de Erro E ME PE PE E/(PE) ME/(E)
REDE = COMPARTILHAMENTO
De meios físicos(Técnicas de Multiplexação)
De estruturas de equipamentos(Técnicas de Comutação)
•Em frequência.
•No tempo
•De Circuitos
•De Pacotes
•De Células
As diversas tecnologias existentes combinam tais técnicas fornecendo diversos resultados de qualidade
de serviço.
Técnicas de Comutação
Técnicas e Tecnologias: Características
Vantagens ou Desvantagens??
Comutação de Circuitos•Baixo Jitter•Sem congestionamento•Capacidade fixa•Desperdício de Banda•Menor disponibilidade média•Menor “overhead”
Comutação de Pacotes/Frames•Jitter•Suporta tráfego burst•Tráfego agregado estatisticamente•Sem alocação fixa de recursos•Perda de pacotes•Rotas alternativas (eng. de tráfego)
Comutação de Células•Baixo “overhead” de processamento•Alto “overhead” de cabeçalho•Alocação dinâmica de banda•Suporta vários tipos de serviço
Técnicas de Comutação e QoS
2Conceitos Básicos
Mecanismos para Controle de Qualidade de Serviço
Reserva de banda através de sinalização e controle de buffers.
Priorização de dados de acordo com a categoria do serviço associada ao canal lógico:» Exemplo:
– Se o canal é rt-VBR é prioritário em relação a um canal nrt-VBR.
Implementação de mecanismos de sincronização e priorização para aplicações sensíveis a atraso de trânsito.
Mecanismos de detecção e recuperação de erros.
Controle de Qualidade de Serviço
Atraso
Variação de atraso
Banda
Confiabilidade
Priorização de dados de acordo com a categoria do canal:» rt-VBR > nrt-VBR
Mecanismos de Sincronização: » Ex: time stamp.
Reserva de banda através de sinalização.
Detecção e correção de erros.
Objetivo do Controle de Qualidade de Serviço
IMPLEMENTAR SERVIÇOS
COM QoS ESPECÍFICO PARA CADA TIPO OU CLASSE,
INDEPENDENTEMENTE DO QUE
ACONTECE COM OS OUTROS TRÁFEGOS OU
SERVIÇOS.
Componentes de Uma Estrutura de QoS
Pacote
Fila 1
Fila n
Fila 2Pacote Pacote Pacote
RótulosPriorização
Tipos de TráfegoServiços
Aplicações
PriorizaçãoPoliciamentoMarcaçõesDescarte
Gerenciamento de FilaTraffic shapping
Roteamento Classificação Enfileramento Escalonamento
SchedQueueClassRot
Componentes de Uma Estrutura de QoS
EdgeRouter
SchedQueueRot SchedQueueRot SchedQueueRot
EdgeRouter
CoreRouter
CoreRouter
Per-Hop BehaviorPHB
PHB PHB PHB
Edge-to-edge QoS
Sinalização:
Troca de informações entre elementos de rede para
configurar um certo serviço edge-to-edge.
Modelos Edge-to-edge de QoS:
Soluções que especificam o número suficiente de
características para a construção de redes com
QoS. Normalmente especificam:» Modelo de Rede» Modelo de Serviço» Sinalização e Controle de Admissão» Tipos de tráfego
Conceitos da Estrutura de QoS
Tecnologias de alta velocidade que já suportam alguma integração
e convergência de aplicações: Frame Relay.
Tecnologias que suportam controle de QoS nativamente: ATM.
Tecnologia IP com:
– IntServ: Integrated Services
– RSVP: Reservation Protocol (sinalização),
– Diffserv: Differentiated Services
– Padrões IEEE 802.1 Q/p
– MPLS: Multi Protocol Label Switching
– RTP, RTCP (Real Time Protocol, Real Time Control Protocol).
QoS e Tecnologias de Rede
Redes IP: Tecnologias para QoS (1)
Modelos de QoS edge-to-edge
» IntServ (Integrated Services): define procedimentos para
classificação sofisticada e diversificada de serviços para o
IP e mecanismos de reserva de banda. Utiliza o RSVP
como protocolo de sinalização.
» Diffserv (Differentiated Services): define um sub-
conjunto de classes de serviços para o IP do IntServ e
mecanismos de reserva de banda.
Redes IP: Tecnologias para QoS (2)
Controle de Circuito Virtual Sobre Redes IP
» MPLS (MultiProtocol Label Switching): emprega a
técnica de tag switching para aumentar velocidade de
chaveamento e roteamento, reduzindo o atraso de trânsito
e o jitter. Torna mais fácil a implementação de prioridade
de tráfego com requisitos críticos de tempo.
Protocolo de Sinalização:
» RSVP (Resource Reservation Protocol): requisita a
reserva de recursos e preparação dos roteadores para
garantir QoS;
3Arquiteturas Completas e Tecnologias
3.1Arquitetura IntServ
Integrated Services (IntServ): Histórico
Desenvolvido no início da década de 90;
Foi o primeiro esforço de especificação de uma arquitetura de controle
de QoS;
Foram organizados 3 grupos de trabalho:
» INTSERV: Arquitetura Geral
Modelos de Serviço
Especificação de Fluxos
Framework para os demais trabalhos e componentes
» ISSLL (Integrated Services over Specific Link Layers): IntServ sobre
tecnologias específicas (Ethernet, ATM, etc);
» RSVP: Alocação de recursos na rede.
IntServ: Visão Geral
Controla o que se chama de Fluxo IntServ: conjunto
identificável e classificável de pacotes de uma fonte em
direção a um ou mais destinos com tratamento comum de
QoS requisitado.
O IntServ identifica e classifica fluxos através da quíntupla
[IP fonte, IP destino, ID protocolo(IP), Port fonte, Port
destino];
Controla de maneira dinâmica e contínua os recursos
alocados através do protocolo RSVP.
IntServ: Modelo de Referência
Agente de Roteamentoc/ QoS
Controle de Admissão
Agente de EstabelecimentoDe Reserva
Tabela de Reserva de Recursos
Identificação de Fluxo Escalonador de Pacotes
Plano de Controle
Plano de Dados
IntServ: RoteamentoAções nos Principais Componentes
1. Aplicação caracteriza seu fluxo e especifica requisitos de QoS;
2. Requisitos de QoS são enviados à rede;
3. Roteador interage com módulo de Roteamento e determina próximo
passo;
4. Interage com Controle de Admissão para determinar se há recursos
suficientes;
5. Reserva de fluxo é configurado na Tabela de Alocação de Recursos;
6. Informações da Tabela são usadas para configurar o identificador de
fluxo e o escalonador de pacotes;
7. Roteador passa a chavear pacotes com essas informações: identifica
fluxo, coloca na fila correta e o escalonador trata as filas de acordo
com as alocações de recurso configuradas.
APLICAÇÃOAPLICAÇÃO
PLANO DE PLANO DE
CONTROLECONTROLE
PLANO DE PLANO DE
DADOSDADOS
RSVP
RSVP: Resource Reservation Protocol;
Responsável pelos procedimentos de reserva de recursos (sinalização) e controle de admissão na arquitetura IntServ;
São implementadas três funções:
» Negociação: verifica se a rede (NE por NE) pode comprometer-se com esse novo fluxo que está entrando;
» Configuração: quando a rede configura os NEs ao longo do caminho para suportar o tráfego negociado;
» Policiamento: controle permanente sobre o usuário e sobre os recursos da rede para manter o que foi negociado.
RSVP – Modelo Básico
Duas principais mensagens:
» PATH (Path establishment)
» RESV (Reservation)
HostA
HostC
HostB
RESVRESVPATHPATH
RSVP: Propósitos das Mensagens
As mensagens PATH e RESV possuem vários propósitos:
PATH:
» Distribui informações sobre a fonte de tráfego para os receptores;
» Repassa para a rede as características do caminho;
» Instala o estado necessário para a RESV encontrar a fonte.
RESV:
» É utilizado pelo receptor para requisitar a reserva de recursos;
» Especifica os recursos requisitados pelo receptor;
» Estabelece o estado de reserva nos elementos de rede.
3.2Arquitetura DiffServ
Problemas do IntServ
Complexidade dos mecanismos de classificação;
Grande quantidade de fluxos exige muito processamento
nos roteadores;
Procedimentos de controle e manutenção do RSVP geram
muito overhead na rede.
Differentiated Services (DiffServ)
DiffServ define um conjunto reduzido de fluxos (classes de
tráfego) e define mecanismos sobre esses fluxos;
Serviços edge-to-edge construídos a partir de um sub-conjunto
restrito de comportamentos nos roteadores do núcleo;
Objetivo é obter roteadores mais rápidos no núcleo;
Menos informações para tratar, menos processos e
armazenamento;
Núcleo da rede trabalha sobre conjunto restrito de classes pré
configuradas (não há protocolo de sinalização).
DiffServ – Visão Geral
ToS/DS
TipoProt.
End.Fonte
End.Destino
PortasFont/Dest
Roteador Edge:Classificação Multicampo, Policing, Marking
DS
Fila 1
Fila n
Fila 2Pacote Pacote
Queuing Scheduling
0 1 2 3 4 5 6 7
Roteador Core:Classificação DS, Policing, Marking, Queuing, Scheduling
DSCP: Differentiated Services Code-Point
Edge EdgeEdge
Core Core
DiffServ: Terminologia e Conceitos
DiffServ especifica comportamento per-hop (PHB – Per-Hop
Behavior);
Provedores combinam PHBs para implementar serviços edge-
to-edge;
Uma rede com suas regras de mapeamento e mecanismos
DiffServ constituem um Domínio DiffServ;
Um conjunto de Domínios DS é uma Região DS. É
responsabilidade do operador/administrador garantir que o
serviço end-to-end esteja de acordo com o previsto,
DiffServ: PHB e Codepoints
PHB: enfileiramento, gerenciamento de fila e policing;
Permite certa liberdade na escolha de algoritmos para implementar o
comportamento;
PHBs são indicados por valores específicos no DSCP;
Grupos de PHBs podem ter vários códigos de DSCP;
RFC 2474 é um “guia” para alocação de DSCPs:
POOL DSCP Descrição
1 XXXXX0 Definido pelo IANA – Padrões DiffServ
2 XXXX11 Experimental / Local
3 XXXX01 Experimental / Local / IANA
Definições de DSCP (1)
PHB Default: Padrão de comportamento antigo “Best efort”,
código 000000:
» Reencaminhamento sem nenhum tipo de tratamento;
» Enviados o quanto antes;
» As outras classes tem maior prioridade mas deve ser alocado
um mínimo de banda.
Class Selector: Compatibilidade com os comportamentos antigos
do ToS do IPv4: DSCP = XXX000:
» Ex: os códigos 110 e 111 são usados para tráfego de
roteamento;
Definições de DSCP (2)
Expedited Forwarding (EF PHB) (RFC 2598): reencaminhamento
imediato – usado para serviços de baixo atraso e jitter;
Assured Forwarding (AF PHB) (RFC 2597): grupo para serviços
edge-to-edge especificados em termos de largura de banda;
3.3MPLS: Multiprotocol Label Switching
• Label Based Switching.
• Cria um circuito virtual através de um rótulo (Label) que substitui internamente as informações de nível 3.
• Torna mais rápido o processo de chaveamento;
• Separa roteamento de chaveamento;
• Permite implementação de Engenharia de Tráfego, controle de QoS e VPNs.
• MPLS - Multiprotocol Label Switching
• Cria rotas por classe de equivalência de reencaminhamento.
• Classes identificadas por rótulos mais simples.
• Se pacote não se enquadra em nenhuma classe é roteado de maneira convencional
MPLS (MultiProtocol Label Switching)
Processamento do pacote
Manter a flexibilidade do roteamento baseado no endereçamento IP;
Aumentar a velocidade do re-encaminhamento;
Fornecer gerenciamento de tráfego e suporte a QoS para a rede IP.
Informações sobre rotas
Pacote entrando
Protocolo de Roteamento
Controle
Encaminhamento
Tabela de Roteamento
Pacote saindo
Informações sobre rotas
Histórico: Solução Desejada
Arquitetura
LSRA
LSRB
LSRD
LSRC
LSP1
LSP3LSP2
LSR - Label Switched Router: Roteador que implementa MPLS;
LSP - Label Switched Path: Circuito Virtual sobre a rede IP.
1a. Protocolos de roteamento existentes (e.g. OSPF, IS-IS) estabelecem a alcançabilidade da rede de destino
1b. Protocolo de distribuição de label determina o mapeamento entre o label e a rede de destino
2. LSR de Ingresso recebe o pacote, realiza uma busca na tabela de labels e insere um label no pacote. 3. LSRs encaminham os
pacotes usando label swapping
4. LSR de Egresso remove o label e entrega o pacote
Operação da Rede MPLS: Visão Geral
Rede Operando com MPLS
Label SwitchingRouters
Um fluxo repetitivo Recebe um Label e é chaveado como umCircuito virtual
Os pacotes “exporádicos são roteados normalmente.
E-LSPs: classe de agendamento do PHB mapeado no campo EXP suporta até 8 DSCPs
L-LSPs: classe de agendamento mapeada no valor do LSP campo EXP pode carregar a prioridade de descarte
LSP Híbrido L-LSP implementando EF e E-LSP implementando AF e BE
Suporte a Controle de Qos em Redes MPLS
Suporte a QoS: MPLS+DiffServMapeamento de DiffServ na rede MPLS:
MPLS e QoS
Pode-se dizer que o MPLS com o QoS permite criar dutos na rede
relativos a diferentes classes de serviço:
LSRC
LSRD
LSRE
LSRA
LSRB
LSR - Label Switching Router
Servidor de Vídeo
Servidor de Arquivos
Fluxo de
Vídeo
Fluxo de
Dados
3.4Controle de QoS no IPv6
IPv6
Motivação Inicial: espaço de endereçamento esgotado por volta
de 2008;
Motivações adicionais posteriores:
Melhorar o formato do header para permitir maior velocidade de
processamento e de transmissão;
Mudanças no header para incorporar mecanismos de controle de
QoS;
Novo tipo de endereço: “anycast” - permite enviar uma mensagem
para o melhor dentre vários servidores replicados;
dados
Source Address, 128 bits
Version4 bits
Flow Label, 20 bits
20 bytes
0 15 16 31
Destination Address, 128 bits
Hop Limit8 bits
Next Header8 bits
Priority, 8 bits
Payload Lenght, 16 bits
Cabeçalho IPv6cabeçalho
IPv6: Algumas Características
Cabeçalho fixo de 40 bytes;
Não é permitida fragmentação;
Checksum removido para reduzir tempo de processamento;
Options são permitidas, mas são alocadas em cabeçalhos complementares,
apontados pelo “Next Header”;
ICMPv6: nova versão de ICMP com novas mensagens e funções de
administração de grupos multicast;
Priority: permite definir prioridades diferentes em cada fluxo de informação;
Flow Label: identifica datagramas do mesmo fluxo. O conceito de fluxo não é
bem definido;
Next Header: identifica o protocolo da camada superior ou header adicional.
4Exemplo: Rede SADIA
Rede SADIA: Visão Geral
• Matriz em São Paulo e outras 41 localidades remotas, distribuídas em várias localidades no território Brasileiro;
• Integração: a rede deveria integrar os serviços de dados em IP, dados em X.25 e voz;
• Para os serviços de voz optou-se pela tecnologia de VoIP, pela flexibilidade em termos de implementação sobre diferentes infra-estruturas de rede em nível de enlace, assim como a possibilidade de integração futura com ambiente de desktop;
• Qualidade de Serviço: necessidade de classificação de tráfegos, pois alguns, apesar de serem de dados, necessitavam de QoS, por serem muito importantes, tais como Lotus Notes, transações de cartões de crédito.
Visão Completa da Rede
CastroAssis Chateubriand
Lucas do Rio Verde (acesso via satélite)Curitiba
(Maracanaú)
Fortaleza(Colombo)
MatrizSão Paulo
(Vila Anastácio)MPLS
EMBRATEL
EBGP - Multi-Hop Rua dos Ingleses
EBT Lapa
MHSRP
RASOffice Dial
BGP - PeerPorta Frame Relay c/QoS
PortaHDLC
HSRP
HSRP
BGP - Peer
Site que eventualmentenão tenha acesso terrestre
PortasHDLC
Portas Frame Relay
c/QoS
BauruBrasíliaCampinasChapecóConcordiaJundiaíManausPorto AlegreRecifeRibeirão PretoPta GrossaSerraS. José dos Campos
Paranaguá PortoBelémCampo ErêGuaraniaçu
ToledoUberlândiaVárzea GrandeBelo HorizonteCampo VerdeD. VizinhosF. BeltrãoFaxinol dos GuedesSalvadorTrês PassosDuque de CaxiasParanaguá Ind.
MedianeiraPato BrancoS. Joaquim da BarraXanxerê
Classes de Serviço
• Foram definidas cinco classes de serviços (Classes de Re-
encaminhamento:
Descrição das Classes de Serviço
• Classe Voz: pacotes de voz.;
• Classe Altíssima: dados provenientes do tráfego X.25. O trafego X.25 é transportado pela rede IP através do protocolo XOT (X.25 over TCP) (porta 1998);
• Classe Alta: dados provenientes das aplicações IP que o cliente considera de maior prioridade. Os pacotes referentes a estas aplicações foram identificados através das portas TCP e UDP e endereços IP utilizados por cada um deles, por meio de listas de acesso;
• Classe Média: dados provenientes das aplicações IP que o cliente considera de média prioridade. Mesma técnica de identificação que a Classe Alta;
• Classe Regular: nesta classe foram incluídos os pacotes referentes ao tráfego de Lotus Notes. Classe específica devido ao alto tráfego. Também foram alocadas aqui os fluxos de controle de rede e de roteamento;
• Classe baixa (class default): dados das demais aplicações IP.
Mapeamento de Aplicações nos Serviços
Denis Gabos – “Redes Convergentes: Tecnologias e Aplicações”. Notas de Aula – Disciplina Tópicos Especiais em Redes De Computadores. Bacharelado em Ciência da Computação – Centro Universitário SENAC – Campus Santo Amaro – Tecnologia da Informação;
Marcelo Tsutomu Yamaguchi – Voz Sobre IP e Qualidade de Serviço em Redes Multiserviço: Experiências de um Caso Prático. Trabalho de Formatura - MBA/LARC – Escola Politécnica da USP – 2006;
LARC/PCS/EPUSP: Lab. de Arquitetura e Redes de Computadores – Departamento de Sistemas Digitais - Escola Politécnica da USP;
Créditos e Referências