Qualidade de Serviço em Redes IP

Mecanismos de QoS

Edgard Jamhour

QoS sobre Redes IP O protocolo IP, conforme definido

originalmente: Não suporta QoS (Qualidade de

Serviço). Adota o modelo de serviço BEST

EFFORT: o primeiro pacote a chegar será o primeiro a ser

atendido.

QoS sobre Redes IP Atualmente o protocolo IP está sendo

modificado e novos padrões estão sendo definidos para suportar duas estratégias de QoS: Serviços integrados Serviços diferenciados

Objetivos do QoS Controle sobre recursos

Privilegiar aplicações mais importantes (rentáveis) na rede.

Garantir o funcionamento de aplicações sensíveis a atraso Evitar que o tráfego Web introduza atraso para

aplicações de VoIP.

Objetivos de QoS SLA (Service Level Agreements)

Diferenciar usuários e serviços de acordo com contratos pré-estabelecidos.

Redes Convergentes. Permitir que uma única tecnologia de rede

possa ser utilizada para prover todos os tipos de serviços.

Qualidade de Serviço - QoS QoS é uma garantia oferecida pela rede

que certos parâmetros serão mantidos entre níveis pré-acordados.

Os principais parâmetros de QoS são: Atraso Jitter: Variação no Atraso Taxa de transmissão Taxa de Perda de Pacotes

Qualidade de Serviço - QoS

InternetQoS em Enlace

QoS na Camada de Rede

QoS na Camada de Transporte

QoS na Camada de Aplicação

QoS refere-se a capacidade de criar um caminho com banda e tempo de atraso

garantidos entre dois pontos da rede.

QoS: Rede ou Enlace? Na camada de Enlace:

Redes Síncronas: SDH (combinação de canais de banda constante)

Redes Assíncronas: ATM: Permite Reservar Recursos Frame-Relay: Apenas Limita a Banda

QoS: Rede ou Enlace? Na camada de rede:

IP: Permite implementar a qualidade de serviço fim a fim independente da tecnologia de enlace.

Implementado com ou sem sinalização.

Atraso O atraso é uma das principais

medidas de QoS. Em aplicações tempo-real o atraso

provoca perda de QoS. Exemplo: eco e sobreposição de

conversação em VOIP.

Fatores que Influenciam o Atraso

Congestionamento na rede local

Bufferização nos Roteadores

Capacidade do Terminal

Congestionamento nos links

Tempo de propagação

Velocidade do Link

Curva de QoS em Função do Atraso

1-

densidade de probabilidade

Atraso Fixo

Variação de Atraso (Jitter)

Máximo Atraso Aceitável

ATRASO

ATRASO VARIÁVEL ACEITÁVEL

ATRASO INACEITÁVEL (Dados Perdidos)

Tempo de Propagação Atrasos de Propagação - Fibras Ópticas –

Exemplos

 

Trecho (Round Trip Delay) Atraso de Propagação

Miami a São Paulo 100 mseg

New York a Los Angeles 50 mseg

Los Angeles a Hong Kong 170 mseg

Fontes de Atraso Atraso introduzido por equipamentos:

Roteadores, Switches, Firewalls, etc. Atraso introduzido pelos hosts

Velocidade da CPU e Acesso a Memória Eficiência do Sistema Operacional e da Pilha

de Protocolos Paginação de Memória

Perda de Pacotes Pacotes são perdidos devido aos seguintes

fatores: Erros no pacote:

Cabeçalho do pacote: Descartados pelos roteadores

Campo de dados: Descartados pelo computador

IP TCP DADOSChecksum apenas do cabeçalho

Checksum inclui os dados

Perda de Pacotes Falta de Banda

Estouro de buffer dos roteadores . Descarte preventivo (controle de atraso)

Pacotes menos prioritários são descartados.

Os buffers são associados a cada interface

Tipos de Controle de QoS Aplicações tempo-real

Aplicações sensíveis ao atraso Tolerantes a perda de pacotes Intolerantes a perda de pacotes

OBJETIVO: DISPONIBILIDADE CONSTANTE DE BANDA

Aplicações elásticas Aplicações que não são afetadas pelo atraso.

Exemplo: Email, FTP, Compartilhamento P2P OBJETIVO: BANDA MÉDIA EM PERÍODOS MÉDIOS

OU LONGOS

Requisitos de QoS 

Requisitos de QoS Voz Interativa

FTP E-mail Vídeo Broadcast

Vídeo Interativo

Exigência de largura de banda

Média Baixa Baixa Alta Alta

Sensibilidade a perda (aleatória) de pacotes

Média Média Média Média Média

Sensibilidade ao atraso

Alta Baixa Baixa Baixa Alta

Sensibilidade ao jitter

Alta Baixa Baixa Média Alta

Arquiteturas para QoS As arquiteturas de QoS envolvem 3 elementos:

1. Técnicas para implementar QoS em um nó da rede.

2. Técnicas de sinalização de QoS, para informar aos vários nós da rede como proceder na passagem de um fluxo.

3. Funções para gerenciamento, política e contabilização do QoS de uma rede como um todo.

Arquiteturas para QoS

3. Ferramenta de Gerenciamento

nó nó nó

nó nó

1. Mecanismo de QoSPriorizaçãoDescarte

Etc.

Políticas de QoS(SLA, Controle de

Admissão)

sinalização2. sinalização sinalização sinalização

Mecanismos de QoS no Nó Classificação Enfileiramento

Priorização (com ou ser garantia de banda)

Adequação do Perfil de Tráfego Antecipação de Congestionamento Policiamento

Classificação A classificação dos pacotes é feita de acordo com regras para

descriminação de fluxo. As regras comumente utilizadas são:

Interface do dispositivo

IP origem IP destino Tipo de Protocolo TOS Flow Label (IPv6)

Porta origem Porta destino Transporte

Rede

Enlace

Campo TOS: Tipo de Serviço

Bit Requisição

1 Minimizar retardo

2 Maximizar vazão

3 Maximizar confiabilidade

4 Minimizar custo

Bit Prioridade

000 Muito Baixa

001 Baixa

.. Maximizar confiabilidade

111 Muito Alta

PayLoadIP HeaderTOS

Enfileiramento FIFO Trata as variações de tráfego através de uma fila,

mas não utiliza nenhum tipo de prioridade. Modelo Best-Effort

FILA INTERNA NO ROTEADOR

LINK A(rede local: 100

Mbps)

LINK B(rede WAN: 1 Mbps)

LINK A > LINK B

Enfileiramento com Prioridade

Enfileiramento com Banda Garantida Escalonamento round-robin. A quantidade de pacotes transmitidos de cada fila é

ponderada.

1/10 2/10 3/10 4/10 Fila de alta prioridade

(4 pacotes de cada vez)

Fila de baixa prioridade

(1 pacotes de cada vez)

CQ: Guaranteeing Bandwidth

Weighted fair queuing (WFQ) Efetua classificação do tráfego por fluxo:

Endereço IP de origem e destino Portas de origem e destino Tipo de protocolo

Os fluxos são armazenados num número configurável de filas. Fluxos de baixo volume, que são a grande maioria do

tráfego, recebem um serviço preferencial. Fluxos de alto volume, dividem o restante da banda de

maneira proporcional entre eles.

Weighted fair queuing (WFQ)

Weighted fair queuing (WFQ) Dando prioridade para os fluxos mais curtos, o WFQ reduz

significativamente o atraso médio de entrega dos pacotes.

Adequação do Perfil de TráfegoModelo Token Bucket

Permite adequar o tráfego em torno de uma taxa média, com rajadas de intensidade controlada.

Serviço Garantido se

r <= R

b bytes

r bytes/s

chegada

p bytes/s

saída

d <= b/p

r

saída(bytes/s)

p

t

R

B

reserva

R

Parâmetros r - taxa média em bytes/s b - tamanho do bucket (em bytes) p - taxa de pico m - tamanho mínimo do pacote

(pacotes menores que esse valor são contados como m bytes) M - MTU (tamanho máximo do pacote)

Regra: seja T o tráfego total pelo fluxo num período T: T < rT + b

Traffic Shaping com Token Bucket

Técnicas para Evitar Congestionamento Limitam o tamanho da filas através de um descarte

preventivo. RED: Randon Early Detection

Descarte randômico assim que o tamanho da fila atinge um limiar pré-definido.

WRED: RED ponderado Leva em conta as informações de prioridade do

campo TOS dos pacotes IP.

RED

Policiamento Um limite de tráfego é imposto aos fluxos

definidos pelo classificador. O descarte de pacotes é feito com base na

medição do tráfego antes do armazenamento dos pacotes nas filas do roteador.

Pode utilizar o modelo token bucket.

Conclusão Muitos dispositivos de rede possuem

mecanismos para QoS. A disponibilidade de mecanismos variam

de dispositivo para dispositivo. Vários algoritmos estão disponíveis para

priorização, policiamento, descarte e adequação do perfil de tráfego.