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.