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RSCM/ISEL-DEETC-SRC/2004 1

04.03 – Quality of Service (QoS)

Redes de Serviços e Comunicações Multimédia


Necessidade de QoS

• Uma medida colectiva da qualidade de serviço– Para uma aplicação– Critérios:

• Disponibilidade• Capacidade• Tempo de estabelecimento de uma ligação• Tempo de transmissões com sucesso• Velocidade da detecção e correcção de falhas

– Medidas:• Largura de banda• Perdas de pacotes• Atraso• Variação do atraso


QoS Fim-a-Fim

• A qualidade de serviço tem de ser de uma ponta à outra– Todas as redes pelo caminho têm de suportar QoS

• SLA – Service Level Agreements– SLAs entre diferentes operadores– Definem o tipo e a qualidade de serviço a ser fornecida

• Ou as retribuições em caso de falha

• VoIP e Voz sobre Internet– Não são a mesma coisa– Podem ser definidos SLAs entre diferentes operadores de VoIP

• Não existe QoS até todos os operadores definirem políticas de qualidade semelhantes


QoS fora da rede

• Mais que uma boa qualidade de voz• Custos elevados para obter novos clientes

– Os operadores não querem perder clientes• Meios

– Serviço de qualidade– Aprovisionamento rápido– Billing correcto– Descrições precisas e concisas dos produtos– Etc.


Soluções de QoS

• Reservar o recurso antes de estabelecer a sessão –semelhante à comutação de circuitos

• Categorizar o tráfego em diferentes classes ou prioridades• Obter mais largura de banda quando a existente já não

chega – provavelmente a técnica mais utilizada


Mais largura de banda

• Simples e dispendioso– Mudança sem grandes problemas– Sobredimensionamento desnecessário

• Actualmente a largura de banda tem vindo a custar menos e a aumentar o limite

• Com o aumento da largura de banda aparece sempre uma nova aplicação que a usa ao máximo


Protocolos e Arquitecturas de QoS

• RSVP – Resource Reservation Protocol– RFC 2205– Pertence ao pacote Integrated Services do IETF– Permite que os recursos para uma sessão sejam reservados– É a solução mais complexa e que mais se assemelha à comutação

de circuitos• Garantias de QoS• Granularidade de atribuição de recursos• Feedback para as aplicações e utilizadores

– Dois níveis de serviço• Guaranteed – O mais semelhante a emulação de circuitos• Controlled Load – Equivalente ao best-effort numa rede sem carga


RSVP• O emissor envia uma mensagem PATH para o destino

– Contem uma especificação do tráfego (TSpec)• Cada router RSVP pelo meio

– Estabelece um estado com o hop anterior• O receptor da mensagem PATH

– Responde com uma mensagem RESV – Contém um flowspec (um TSpec e o tipo do serviço de reserva)

• A mensagem RESV vem de volta ao emissor– Pelo mesmo caminho– O recurso é reservado em cada router (permite o funcionamento de Multicast)

PATH

RESVPATHRESV


Differentiated Service

• Define meios para definir prioridades para diferentes tipos de tráfego

• RFC 2475• Usa o

– ToS (Type Of Service) no IPv4– Traffic Class no IPv6– Conhecido como DS field

• Marca um determinado fluxo para lhe ser atribuído um determinado tipo de encaminhamento (Per-hop behavior –PHB)– Expedited Forwarding (EF)– Assured Forwarding (AF)


Diffserv – Expedited Forwarding

• RFC 3246 e revisto no RFC 3247• A um determinado fluxo de tráfego é atribuído um mínimo de

débito de saída que deve ser superior ao débito de chegada no mesmo nó

• Débito de chegada < que o máximo acordado– Elimina os atrasos de queuing

• Garante que o atraso e o jitter são minimizados• Equivalente a uma linha alugada virtual


Diffserv – Assured Forwarding

• RFC 2597• Os pacotes de determinada fonte são encaminhados com

uma alta probabilidade desde que não ultrapassem o máximo acordado

• Define quatro classes– Cada classe reserva um conjunto de recursos num router

• Define três taxas de perdas de pacotes por classe– Quando existe congestão numa classe, os pacotes com taxa de

perdas mais alta são descartados primeiro


Label Switching

• Marcar o tráfego como no DiffServ• MPLS – Multi Protocol Label Switching

– Marca o tráfego à entrada na rede• Permite determinar a informação sobre o próximo salto

– Adiciona uma etiqueta ao cabeçalho IP– FEC – Forwarding Equivalente Class

• Todos os pacotes de uma FEC são tratados da mesma forma– A largura de banda pode ser definida no início de uma sessão– Semelhante ao estabelecimento de circuitos virtuais ATM


Políticas de QoS

• Níveis de QoS– As políticas de QoS definem como são usados os mecanismos

(IntServ, DiffServ, MPLS)• Pagar mais para ter melhor serviço

– Funções de autenticação– Regras que especificam que circunstâncias levam a um nível de

QoS• COPS – Common Open Policy Service protocol

– RFC 2748– Policy Enforcement Point (PEP)– Policy Decision Point (PDP)


RSVP – Resource Reservation Protocol


Introdução• Funções em routers e máquinas

– Controlo de políticas– Controlo de admissão– Classificador de pacotes– Escalonador de pacotes– Controlo de tráfego

• Controlo de admissão + Classificador de pacotes + Escalonador de pacotes


Sintaxe

• RFC 2215• O RSVP é utilizado para implementar serviços identificados

por números– Service number 2 – Guaranteed Service– Service number 5 – Controlled-Load Service– Service number 1 – Comum aos serviços– Conjunto de parâmetros– Formato TLV (Type-Lenght-Value)


Estabelecimento de Reserva

• Reserva recursos do receptor até ao emissor– Pensado no multicast– Reserva recursos apenas num sentido– Mensagem PATH

• TSpec– Mensagem RESV

• Flowspec• As respostas de RSVP podem ser alteradas de forma a garantir o QoS a

todos os destinos – flowspec merge


TSpec• Também é incluído nas mensagens RESV• Especifica um token bucket

– Bucket size, b– Token rate, r– O pacote só é transmitido se o número de tokens no balde for maior ou igual que

o pacote• Peak Rate, p

– p > r• Tamanho máximo do pacote, M• Unidade mínima de policiamento, m

– Todos os pacotes abaixo de m bytes são sempre considerados como sendo m– O overhead a processar cada pacote– Limita o overhead da camada data-link

• Número de parâmetro 127


Flowspec

• Indicação do serviço requisitado (GS ou CL)• Para o serviço Controlled-load service

– Contém um TSpec• Para o Guaranteed service

– Um TSpec– Rate Term (R) – a largura de banda necessária

• R >= r, a largura de banda extra diminui os atrasos do queuing– Slack Term (S)

• Número de micro segundos que indicam a diferença entre o atraso desejado e o atraso que pode ser conseguido se o débito R for utilizado

• Usado para reduzir os recursos reservados


Filter Spec• Uma sessão RSVP

– Endereço de destino e identificador protocolo– Número do porto (opcional)– Não existe informação sobre o emissor– Surgem problemas a identificar o fluxo de dados para determinada reserva

• Define o fluxo a que uma determinada QoS deve ser aplicada– Endereço IP do emissor e o número do porto do emissor (opcional)– Para uma conferência inclui os diferentes requisitos de QoS de cada fluxo

• Os routers pelo caminho devem examinar o cabeçalho– Os pacotes IP no fluxo não devem ser fragmentados

• Usar o Path MTU Discovery– Mecanismos de segurança podem cifrar o cabeçalho

• O RSVP terá de suportar isso• É incluido nas mensagens PATH ou RESV

– Também conhecido como sender template (nas mensagens PATH)


ADSpec

• PATH (TSpec)• RESV (flowspec)• Serve para o receptor ser informado das características da rede

– Ele não pode pedir o que a rede não suporta• O emissor e os routers

– Indicam as suas capacidades de QoS– O emissor constrói o ADSpec inicial– Cada router actualiza o ADSpec– Pode indicar que um ou mais routers não suportam RSVP– Indica o número de saltos entre nós que suportam RSVP– O MTU e largura de banda do caminho– A latência mínima do caminho

• Latência quando não existe atraso no queuing


Mensagens RSVP• Path (1)• Resv (2)• PathErr (3)• ResvErr (4)• PathTear (5)• ResvTear (6)• ResvConf (7)

• Cada mensagem contêm um número de objectos – Tspec, flowspec, etc.

• O cabeçalho Send_TTL tem significado igual ao TTL do IP mas édecrementado por cada router RSVP

Cabeçalho Comum

Length

Conteúdo do Objecto...

Byte 0 Byte 1 Byte 2 Byte 3

Class-num C-type

Formato dos objectos


Mensagens RSVP - Classes

• SESSION Class– Class-num = 1– C-Type = 1, IPv4; 2, IPv6– Endereço IP de destino, ID do protocolo e o porto de destino

(opcional)• FLOWSPEC Class

– Class-num = 9– C-Type = 2

• SENDER_TEMPLATE Class– Class-num = 11– C-type= 1, IPv4; 2, IPv6– Ex.: um filterspec numa mensagem PATH



• RSVP_HOP Class– O endereço IP da interface pela qual o último nó com capacidades

de RSVP mandou a mensagem– Usado nas mensagem PATH e gravados em cada nó– Garante que a mensagem RESV usa o mesmo caminho no retorno– Class-num = 3– C-type= 1, IPv4; 2, IPv6

• TIME_VALUES Class– Um timeout em milissegundos para a mensagem– Class-num = 5



• ERROR_SPEC Class– Nas mensagens de erro do RSVP– O endereço IP do nó onde o erro foi detectado– Um código de erro e informação adicional– Class-num = 6– C-type= 1, IPv4; 2, IPv6

• STYLE Class– Selecciona diferentes estilos de reserva– Múltiplos recipientes e/ou múltiplos emissores– Fixed-filter style: um receptor identifica unicamente um emissor– Wildcard-filter: para todos os fluxos de todos os emissores– Shared-filter: lista emissores específicos – Class-num = 8; C-type = 1


RSVP – Exemplo


Erros na reserva

• A reserva de um recurso falha– Uma mensagem de erro é retornada

• As mensagens PathErr são enviadas para o emissor• As mensagens ResvErr são enviadas para o receptor

– Ao qual a reserva falhou


Guaranteed Service

• RFC 2212• Dois elementos

– Sem perdas de pacotes• Uma função da profundidade do token bucket (b) e do token rate (r)

– Garantir o atraso mínimo• Atraso fixo no processamento• Atraso de queuing


Controlled-Load Service

• Aproximação ao QoS que uma aplicação iria receber se os dados fossem transmitidos numa rede com pouca carga– Percentagem elevada de pacotes entregues– Não excede o atraso mínimo

• Não identifica características específicas dos elementos da rede que devem ser minimizadas– Oferecer a largura de banda e espaço em buffers necessário para

suportar o TSpec– Um flowspec para o serviço CL é apenas um TSpec


Remoção de Reservas

• Explicitamente por um emissor ou receptor– PathTear

• Em direcção aos recipientes• Apaga todos os path states e reservation states

– ResvTear• Mesmo que o PathTear mas agora no sentido dos emissores• Apaga apenas os estados referentes ao receptor

• Por timeout– As reservas têm de ser renovadas em intervalos regulares– As mensagens contêm um período de renovação no objecto

TIME_VALUES


DiffServ


Introdução

• RSVP– O mecanismo mais completo de QoS

• Semelhante à comutação de circuitos• Os routers com RSVP mantêm estado• Overhead significante e dificuldade em escalar

• QoS e largura de banda– Aumentar a QoS é aumentar a largura de banda– RSVP reserva recursos– O DiffServ oferece a uma aplicação melhor QoS em troca de

diminuir a QoS oferecida a outra aplicação


Arquitectura

• O IPv4 tem um campo TOS (Type of Service) e o IPv6 tem o Traffic Class

• O DiffServ renomeia estes campos para DS field– Os seis bits menos significantes

– Os pacotes são tratados de acordo com o DSCP (DS Codepoint)• Per-hop-behaviour

• RFC 2475, revisto no RFC 3260

DSCP ECN

0 1 2 3 4 5 6 7


Funcionamento

• Os pacotes de um fluxo– São marcados com um valor DSCP– Os routers fornecem o PHB

• O perímetro da rede garante que– Apenas os pacotes qualificados são marcados– Medições para medir o débito dos pacotes– Que o tráfego está de acordo com um determinado perfil– Traffic Shapping e descarte– Estas funções são chamadas de traffic conditioning


Necessidade de SLAs• Uma determinada rede e origem de pacotes têm de acordar em

– Classificação de pacotes– Acondicionamento de tráfego

• As funções podem ser implementadas– Na origem– Num edge router

• SLAs entre operadores e clientes– Uma definição do perfil de tráfego

• Uma especificação token bucket– A classificação e regras de marcação

• Baseada em combinações do endereço de origem, endereço de destino, porto de destino, ID do protocolo, atraso

– Comportamentos para cada valor de DSCP– Especifica também o comportamento para tráfego fora do perfil

• SLAs entre diferentes operadores– Um conjunto comum de politicas e defenição de PHBs


Per-Hop Behaviour

• O tratamento que um router DS aplica a um pacote com um determinado valor de DSCP

• Um agregado– O conjunto de fluxos de um nó para o próximo que partilham o

mesmo DSCP codepoint– A configuração PHB é aplicada ao agregado

• Dois PHBs são especificados– Expedited Forwarding– Assured Forwarding


Expedited Forwarding

• Um serviço com baixas perdas de pacotes, baixo atraso e baixo jitter

• Através do minimizar do atraso de queuing em cada nó– O débito de envio de pacotes é um mínimo conhecido– O débito da recepção é sempre inferior

• As funções de traffic-conditioning no perímetro da rede são importantes

• O valor do DSCP é 101110


Expedited Forwarding – Implementações

• Implementado através de diferentes prioridades para as filas de espera– Pode tornar a performance do tráfego não-EF inaceitável

• É necessária uma implementação que não afecte demasiado o outro tráfego– Token bucket– Escalonador Weighted Round Robin

• A implementação pode influenciar o jitter


Assured Forwarding

• RFC 2597• Pacotes de alta prioridade são encaminhados com maior fiabilidade• O tráfego que entra numa determinada rede DiffServ deve estar de

acordo com um determinado perfil• São atribuídos recursos a determinado agregado de tráfego• Diferentes níveis de garantias de encaminhamento• Os pacotes são marcados com diferentes classes AF

– Dentro de cada classe os pacotes são marcados com diferentes prioridades de descarte

– Se os recursos atribuídos a uma determinada classe ficam congestionados o router descarta os pacotes com maior prioridade de descarte


Assured Forwarding – Classes• Quatro classes e três níveis de precedência de descarte

Prioridade de descarte Classe 1 Classe 2 Classe 3 Classe 4

Baixa 001010 010010 011010 100010

Média 001100 010100 011100 100100

Alta 001110 010110 011110 100110


Assured Forwarding – Implementação

• Tem de detectar e responder a uma congestão continuada na rede através do descarte de pacotes

• Tem de responder a congestões curtas através do queuing• Uma função

– Monitorizar as congestões curtas– Deitar pacotes fora se necessário

• Tem de tratar analogamente todos os pacotes de determinada classe e nível de precedência– Todos os fluxos devem ter a mesma taxa de descarte– Não pode reordenar pacotes AF dentro da mesma classe AF

independentemente da sua precedência

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