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NURCAD/INE/UFSC Slide 1 de 99

Qualidade de Serviço em Redes IP

NURCAD/INE/UFSC


Índice

MotivaçãoQualidade de Serviço em redesQualidade de Serviço na InternetAbordagens para QoS na InternetA Internet2, RNP2 e QoSProjeto UCER*Considerações finais

*Projeto em andamento no INE/UFSC


Motivação

O que faz com que uma equipe ou um grupo de pesquisadores e/ou fabricantes tenham interesse em estudar QoS?


Motivação: Analogias

Reserva de RecursosTrilhos do metrô; faixas exclusivas de ônibusSistema de telefoniaGarantia de desempenho (tempo)Implica controle de admissão

Classes de ServiçosFilas de idosos e gestantes em bancosFilas de pequenas compras em supermercadosPrioridade (garantia relativa)


Motivação: “Dimensões”

Internet



1670

200

530

0

100

200

300

400

500

600

Ano

Qua

ntid

ade

de U

suár

ios

(milh

ões)

Usuários da Internet no Mundo

1995 1997 1999 2001

Fonte: IDC – http://www.idc.com



Usuários da Internet no Brasil



Perfil dos usuários da Internet no Brasil


Motivação: Integração

PBXPBX

VVíídeodeo

DadosDados(grande porte)(grande porte)Dados Dados (roteador)(roteador)

ATMATM

Linha Pública

Linha Dedicada/X.25Linha Dedicada/X.25

Linha Dedicada

ISDNISDN

Frame RelayFrame Relay

Matriz Filiais

PBXPBX

VVíídeodeo

DadosDados(grande porte)(grande porte)DadosDados(roteador)(roteador)

ATMATM


Motivação: Integração

PBXPBX

VVíídeodeo

DadosDados(grande porte)(grande porte)Dados Dados (roteador)(roteador)

ATMATM

Matriz Filiais

PBXPBX

VVíídeodeo

DadosDados(grande porte)(grande porte)DadosDados(roteador)(roteador)

ATMATM

IP sobreIP sobreATM, SDH, ATM, SDH,

WDMWDM


Motivação: Exemplo 1

Internet



Programas multimídia (áudio e vídeo)Ex.: NetMeeting, RealPlayer, VIC, etc.Problema: Imagens e voz distorcidas ou cortadasCausa: Atrasos na transmissão de dadosAceitáveis para aplicações não profissionaisPossíveis soluções:

Aumentar a velocidadeDar prioridades e/ou reservar recursos



Acesso a sites comerciaisExemplos: Arremate, Americanas, etc.Problema: Sites lentos afugentam os usuáriosCausa: mesmo tratamento para todosSolução: priorizar tráfego de quem paga mais Benefícios esperados

Aumento da receitaSatisfação dos clientes


Motivação: Por fim...

Concepção da Rede IPHá cerca de 30 anos!Serviços não previstos: InternetPoucas alterações para a Internet (TCP/IP)TCP/IP

Não fornece garantia de largura de bandaNão fornece garantia de LatênciaNão fornece garantia de perda de pacotesControle de velocidade “Slow Start”


Motivação: Por fim...

Upgrade TCP/IP ATM ou Frame RelayInviável ! ! !Aumento do tráfego de aplicações exigentesSites dinâmicos, voz sobre IP, video-conferências, DNA humano, etc...


Qualidade de Serviço em Redes

Definição !!!



Quality of Service



Muitas definições diferentes!Definição abstrata: Algum método para diferenciar tráfegoDistinção:

Qualidade de Serviço (Quality of Service - QoS)Classes de Serviço (Class of Service - CoS)



Definição: ISO

O efeito coletivo do desempenho de um serviço, que determina o grau de satisfação de um

usuário desse serviço



Definição: Multimídia

Representação do conjunto de características qualitativas e quantitativas de um sistema

multimídia distribuído, necessário para alcançar a funcionalidade de uma aplicação



Definição: Redes de Computadores

1. O desempenho de uma rede relativa às necessidades das aplicações

2. O conjunto de tecnologias que possibilita àrede oferecer garantias de desempenho


Força Bruta x Gerenciamento

Largura de banda abundante e barata (????)Gerenciar a largura de banda (ou seja, prover QoS) é complexo e caroArgumento: vale mais a pena aumentar a quantidade de banda disponível (força bruta) do que gerenciá-laContra-argumento: não importa quanta banda houver, sempre vão surgir novas aplicações para consumi-la (Internet2)


Expectativas!!!

Imperfeições na redeQoS não compensa projetos mal feitos

Mágica na redeQoS não aumenta a largura de banda

A margem de QoS é pequenaQoS só é visível sob congestionamento

Igualdade ou desigualdadeAumenta recursos para uns, diminui para outros

Tipos de tráfegoQoS não funciona bem para todos os tipos de tráfego


Parâmetros QoS

Quais são os parâmetros que definem a

qualidade de serviço em uma rede IP, como por exemplo a Internet???


Parâmetros QoS

AtrasoTempo do dado (pacote) “dentro da rede”Entre transmissor e receptor (fim a fim)

Variação do atraso (jitter) Medido entre pacotes consecutivos

Largura de bandaTaxa de transmissão de dados (bps)

Confiabilidade Perda de dados (pacotes)


Implementação de QoS

Balde de Fichas Token Bucket

Exemplor = 256kbpsb = 10000bits

PacotesFichas ?

Encaminha

(S)

Espera

(N)

r fichas porsegundo

Máximo bfichas



Fila de prioridade – Priority Queue

Fila de altaprioridade

Enlace

SaídaChegada

Fila de baixaprioridade



Fila com pesos – WRR e WFQ

Saída

Enlace

Chegada

Peso p1

Peso pn


Qualidade de Serviço na Internet - TCP/IP

Conceitos !!!


Modelo ISO/OSI

Rede

Protocolo de Aplicação

Protocolo de Apresentação

Protocolo de Sessão

Protocolo de Transporte

Aplicação

Apresentação

Sessão

Transporte

Rede

Enlace

Física

Sistema AbertoA

Aplicação

Apresentação

Sessão

Transporte

Rede

Enlace

Física

Sistema AbertoB

Enlace

Física

Rede

Enlace

Física

Sistemas Retransmissores

Protocolo de RedeProtocolo de EnlaceProtocolo de Camada Física

7

6

5

4

3

2

1

Rede

Modelo de Referência para Interconexão de Sistemas AbertosDividido em camadas


Modelo TCP/IP

Aplicação

Transporte

Inter-rede

Interface de rede

HTTP, FTP, TELNET

TCP, UDP

IP

Ethernet, PPP, Frame-Relay,ATM, X.25, Token-Ring, etc.


Uma rede TCP/IP – Internet!!!

H

H

H

H

H

H

R

R

X.25

ATM?

Ethernet


TCP/IP: Características

TCP/IPConjunto de padrões de rede que especifica

detalhes de comunicação, interconexão e roteamentoProtocolos utilizados na Internet e na grande

maioria das LANs e WANsO que é necessário para estar conectado????

Conexão físicaPilha de protocolos TCP/IPEndereço IP


Protocolo IP

Não é orientado a conexõesServiço baseado em datagramas (semelhante ao serviço dos Correios - telegramas)Não oferece garantia de largura de banda, atraso e variação do atrasoNão oferece garantia de entregaPode entregar os pacotes fora de ordemNão trabalha com o conceito de Qualidade de Serviço


A Internet HOJE!!!

Modelo de melhor esforço (best-effort)Funcionamento interno dos roteadores

Princípio da mudança constanteArgumento fim a fim

Funções perto da sua utilizaçãoManter complexidade nos sistemas finaisInterior da rede muito simples

Rede de telefoniaRede complexaSistemas finais (telefones) muito simples


Objetivos Iniciais da Internet

SobrevivênciaTipos de serviçosDiversidade de redesGerenciamento distribuídoCustosExpansãoContabilidade


Roteamento e Encaminhamento

Roteamento: estabelecimento dos melhores caminhos (rotas) Encaminhamento: processo de despachar cada pacote ao seu destino ou roteador intermediário

Plano de controle

Plano deencaminhamento

Protocolo de Roteamento

Entrada SaídaMecanismos de Encaminhamento

de Pacotes

Tabela deRoteamento


Roteador: Funcionamento

Recebe pacote pela porta de entradaVerifica na tabela de roteamento a porta de saída para onde o pacote deve ser enviadoInclui pacote na fila (FIFO) da porta escolhidaSe a fila estiver cheia, o pacote ésumariamente descartadoTodos os pacotes recebem mesmo tratamento (modelo de melhor esforço)


Controle de Congestionamento

Causas do CongestionamentoProblema de compartilhamento de recursosSistemas finais inserem pacotes em excesso na rede

AtividadesPrevenção de congestionamentoRecuperação de congestionamento

Internet: TCPSlow start, congestion avoidanceFast retransmit, fast recovery

Pode influenciar QoS (????) = SIM!


Controle de Congestionamento: TCP

44

40

36

32

28

24

20

16

12

8

4

00 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Número da transmissão

Jane

la d

e co

nges

tiona

men

to (K

B)


Necessidade de QoS na Internet (TCP/IP)

Modelo comercial da Internet apresenta problemas fundamentaisProvedores desejam oferecer maior diferenciação de serviços aos usuários (aumento dos lucros)Inviabilidade de aplicações multimídiaIP e largura de banda são necessários, mas não suficientesModelo de serviço único e tarifação por largura de banda está esgotado


Abordagens para QoS na Internet

Quais????


IETF

IETF - Internet Engineering Task Forcehttp://www.ietf.org

Grupos de Trabalho (relacionados a QoS)Serviços Integrados (IntServ)Serviços Diferenciados (DiffServ)MPLS (Multiprotocol Label Switching)Roteamento baseado em QoS (encerrado)Engenharia de Tráfego

RFC – Request for CommentsDraft



IntServIntegrated Services


O que é IntServ??

IntServ = Serviços Integrados RFC 1633Visão de Serviços Integrados

Serviço de melhor esforço +Serviço de tempo real +Compartilhamento de enlace controlado

Cada nó entre fonte e destino mantém informações de estado e encaminhamento para garantir QoS


Serviços Integrados

Escalonador de pacotesGerencia o encaminhamento dos fluxosUsa políticas de filas

ClassificadorMapeia pacotes para classes (fluxos)

Controle de admissãoDecide se existem recursos suficientes para permitir novas reservas

Protocolo de reserva de recursos (RSVP)


Serviço de QoS Garantido

RFC 2212O serviço oferece:

Nível de largura de banda asseguradoLimite rígido (provado) de atraso fim a fimProteção contra perda de pacotes

Destinado a aplicações com requisitos rígidos de tempo real, como aplicações intolerantesTodos os roteadores no caminho devem suportar o serviço para que ele seja possível

Usa balde de fichas para controlar taxa máxima


Serviço de Carga Controlada

RFC 2211Semelhante ao serviço de melhor esforço em uma rede levemente carregada Não oferece garantias rígidas

Alto percentual dos pacotes chegarão ao receptorAtraso da grande maioria dos pacotes não deve exceder o atraso mínimo

Maior parte das aplicações multimídia se enquadram nessa categoriaUsa balde de fichas para controlar taxa


Protocolo RSVP

Resource ReSerVation Protocol - RFC 2205Características:

Unicast e multicastReservas simplex - unidirecionaisReceptor solicita a reserva (receiver-initiated)Estado leve (tem que refrescar periodicamente)

Mensagens PATH e RESVPATH instala informações de roteamento reverso

Tornou-se um protocolo “pesado”Disponível em vários produtos comerciais


Mensagens RSVP

3. Fluxo de dados RSVP

2. MensagemRESV

Receptor Transmissor

1. MensagemPATH


Problemas IntServ/RSVP

Problema: escalabilidadeA quantidade de informação de estado cresce proporcionalmente ao número de fluxos que um roteador tem que tratarSinalização a cada nó (sistema final ou roteador) para cada fluxo Exigência altas para os roteadores


IntServ: Escalabilidade

Muitos

fluxos!


Problemas IntServ/RSVP

Agregação de fluxos

Serviços Diferenciados (DiffServ)



DiffServDifferentiated Services



DiffServ: Differentiated ServicesRFCs 2274 e 2275QoS na Internet para agregações de fluxos

Sem estado para cada fluxo de dados Sem sinalização para cada nó

DS-FieldPacotes são marcados para receber serviços diferenciados nos Domínios DSCampo TOS do IPv4 ou Traffic Class do IPv6Identifica o PHB (Per-Hop Behavior)Valores do DS-Field são chamados de DSCP


Formato do Campo DS

DSCP: DiffServ Code PointCU: Currently Undefined

Identificação do PHB associado a um pacoteValores do DSCP

Classificação dos valores do DSCPxxxxx0 para PHB padrãoxxxx11 para PHB experimentais e de uso local

DSCP=0 associado ao PHB Best Effort12 valores de DSCP associado ao PHB AF1 valor de DSCP associado ao PHB EFCompatibilidade com o campo TOS (IPv4) e TC (IPv6)

DSCP CU


Contratos e Serviços

SLA: Service Level AgreementContrato comercial bilateralIdentifica perfil de tráfego (ex. r = 1Mbps, b = 100Kb)

Serviço: “tratamento global de um determinado subconjunto do tráfego de um usuário dentro de um Domínio DS, ou fim a fim”PHB + regras de policiamento = vários serviçosO grupo de trabalho da IETF não vai padronizar os serviços fim a fim (para o usuários)


Arquitetura DiffServ (Lógica)

SLA: Service Level Agreement

SLASLA

SLA

SLA

SLADomínio

DomínioDomínio

Fonte

Destino


Arquitetura DiffServ (Física)

Policiamento de tráfego nos roteadores de borda

Roteadores internos dão tratamento aos

pacotes de acordo com o PHB indicado

no DSCP


Arquitetura DS

Domínio DS

Nós Interiores

Nós deBorda

Nós Interiores

Nós deBorda

Efetua Condicionamento

de Tráfego

Efetua Condicionamento

de Tráfego

Pacotes são adicionados a agregações de comportamento

(behavior aggregates - BA)de acordo com o DS field

MundoExterior

SLA deveser

estabelecido

MundoExterior

SLA deveser

estabelecido


Per-Hop Behavior - PHB

Tratamento de encaminhamento que os pacotes recebem nos roteadoresPHB EF (Expedited Forwarding) (RFC 2598)

Encaminhamento expresso (acelerado)Baixa perda, retardo e variação do retardo (jitter)Preferência total de encaminhamentoSem reclassificação de tráfego!!!


Per-Hop Behavior - PHB

PHB AF (Assured Forwarding) (RFC 2597)Grupo de PHBs de encaminhamento assegurado4 classes de serviços com 3 níveis de descarteDefine tratamentos diferenciados aos pacotes, do tipo “melhor que o melhor esforço”Ainda em estudo e poucas implementações pela sua complexidade!!!


Condicionamento de tráfego

Classificador: seleciona os pacotes dentro de um fluxo através do cabeçalho (BA e MF)Medidor: mede o fluxo para verificar se estáde acordo com o perfil de tráfego contratado (SLA)

Marcador: grava determinado padrão de bits no codepoint (DSCP)Suavizador: atrasa tráfego fora do perfil, para torná-lo dentro do perfil


Condicionamento de tráfego – Cont...

PacotesClassificador Marcador

Medidor

Suavizador/Descartador

Condicionador

Pacotes


Exemplo de Serviços

Serviço Premium (PHB EF)Emulação de linha dedicada a uma taxa de pico especificada

Serviço Assegurado (PHB AF)A rede parece estar “levemente carregada” para tráfego em perfil especificado (taxa e rajada)

Serviço Olímpico (PHB AF)serviço “melhor” relativo a quem paga menossemelhante ao serviço assegurado, mas com três classes de serviços: ouro, prata e bronze


Análise crítica do DiffServ

VantagensForma simples de diferenciar classes de serviços

Base para tarifação diferenciadaA gerência de classes de tráfego se aplica aos fluxos agregados sem utilizar explicitamente nenhum protocolo de sinalizaçãoResolução dos problemas de escalabilidade do IntServ

Os roteadores interiores ficam responsáveis apenas pelo encaminhamento de pacotes com base no DSCPAs funções complexas são realizadas nos nós de Borda!


Análise crítica do DiffServ

DesvantagensComplexidade crescente das técnicas de configuração e do dimensionamento do núcleo da redeFalta de maturidade dessas técnicasImportância da Eng. de Tráfego para conhecer com precisão:

Os perfis dos tráfegos e os volumes transitando nos nós da redeA topologia da rede e as diferentes rotas.

Número limitado de classes de serviços.



MPLSMultiprotocol Label

Switching


MPLS – RFC 3031

Encaminhamento na Internet (hop-by-hop)MPLS constrói caminhos (LSPs) entre roteadores de entrada e saída em um domínioInsere um rótulo de 20 bits entre os cabeçalhos de camadas 2 e 3Pacotes são encaminhados pelos roteadores (LSRs) sem consultar a tabela de roteamentoEmbora seja multi-protocolo, estão sendo criados padrões apenas para o protocolo IP


MPLS: LSP

LSR de entrada

LSR de saída

Caminho mais curto


Comutação baseada em rótulos

FEC: Forwarding Equivalence ClassProtocolo IP: entrada na tabela de roteamento

Utiliza dois tipos de tabelas:FTN (FEC-to-NHLFE): mapear FEC para NHLFEILM (Incoming Label Map): usa o rótulo como índice para encontrar a NHLFE

NHLFE (Next Hop Label Forwarding Entry) Próximo roteador (próximo salto - next hop)Operação no rótulo (troca, inserção, remoção)Outras informações


Encaminhamento MPLS

Mapeamento FTN

adicionarótulo

trocarótulo

retirarótulo

FECNHLFENHLFENHLFE

rótuloNHLFENHLFENHLFE

Mapeamento ILM

Domínio MPLS


Vantagens do MPLS

Comutadores que não entendem IP (ex. ATM) podem participar de um domínio MPLS LSR de entrada pode utilizar informações que não estão presentes no cabeçalho IPAlgoritmo de mapeamento FEC/rótulo na entrada pode ser complexo sem penalizar desempenhoPacote pode ser forçado a seguir caminho diferente do que o menor caminho (OSPF, RIP)Permite a criação de pilhas de rótulos (túneis)


MPLS: Aplicações

IP sobre ATMRedes de características diferentes

Engenharia de TráfegoCustomizar caminhos por critérios administrativos, independentes das tabelas de roteamento

VPN (Virtual Private Network)Caminhos entre redes com segurança

Qualidade de ServiçoLSPs recebem tratamento diferenciado



QoSRQoS Routing


QoSR

RFC 2386Roteamento da Internet é oportunista

Sempre escolhem o menor caminho, mesmo que congestionado e não sem os níveis de QoS desejados Instabilidade - troca freqüentemente de caminho

Caminhos alternativos não são utilizadosQoSR “seleciona o caminho percorrido pelos pacotes de um fluxo baseado no conhecimento da disponibilidade de recursos da rede, bem como nos requisitos de QoS dos fluxos”


QoSR: características

Pode ser utilizado em conjunto com:RSVPMPLS...

Melhor utilização da rede Possui um alto custoSobrecarga de protocolosAlgoritmos complexos!!!Indicado para redes de pequeno porte



TETraffic Engineering


Engenharia de Tráfego

É o processo de arranjar como o tráfego flui através da rede para que congestionamentoscausados pela utilização desigual da rede possam ser evitadosÉ direcionada à otimização de desempenho de redes operacionaisDireciona tráfego por caminhos alternativos com capacidade ociosaObjetivo = Operação eficiente + desempenhoPode ser usada para obter QoS


Protocolos de roteamento: Problemas

Protocolos de roteamento interno (IGP) Usam sempre o menor caminho para direcionar tráfegoContribuem para aumentar congestionamentoSão orientados à topologia da rede

Ocorrência de congestionamentosCaminho mais curto de várias fontes de dados converge para alguns enlaces específicosTráfego de uma fonte de dados direcionado para caminho que não atende suas exigênciaEntretanto, podem haver caminhos ociosos


Encaminhamento sem ET


Encaminhamento com ET


Engenharia de Tráfego: Utilização

AtualmenteRedirecionar circuitos virtuais ATM e Frame Relay

Fixação de caminhos IPMPLS

Descoberta de novos caminhosQoSR

Oferecimento de garantias de QoSIntServ/RSVPDiffServ


Internet2e

QoS


Internet2 e QoS

Objetivos principais: Possibilitar nova geração de aplicações avançadasRecriar uma liderança da comunidade de pesquisaIntegrar com o ambiente da Internet atual

UCAIDUniversity Corporation for Advanced Internet Development

Membros: +/- 195 universidades, 50 corporações e 30 afiliados

Testar novas tecnologiasQoS (QBone), Multidifusão (Multicast), IPv6


Internet2 e QoS

Fonte: http://www.internet2.org

+ de 195 universidades!!!


RNP2e

QoS


RNP2

A Rede Nacional de Ensino e Pesquisa (RNP), através do backbone RNP2, provê serviço IP com facilidades de trânsito nacional, trânsito internacional e trânsito Internet2, em uma infra-estrutura com alta largura de banda e qualidade de serviço (QoS) assegurada. Estas características representam um significativo avanço em relação ao que a atual Internet oferece.


RNP2

O backbone RNP2 possui enlaces internacionais próprios (Estados Unidos e Portugal) e conexão com as redes acadêmicas Internet2 (EUA) e GEANT (Europa). Através do projeto Ampath (Americas PathNetwork), mantido pela Universidade Internacional da Flórida e pela empresa Global Crossing, a RNP troca dados também com redes acadêmicas de outros países da América Latina, como Argentina, Chile e Peru.


Fonte: http://www.rnp.br


Aplicações Internet2 e RNP2

Tele-imersãoRealidade virtual compartilhada

Laboratórios virtuaisAmbiente de resolução de problemas distribuído e heterogêneo

Bibliotecas DigitaisDisseminação de informação, inclusive mídia contínua

Educação a distânciaLearningWare - software educacional para ambiente distribuído


Projeto – INE/UFSC

UCERUso Controlado e Eficiente de Recursos de

Redes IP usando a Tecnologia MPLS


Projeto UCER

Parceria entre Centro Federal de Educação Tecnológica de SC, Universidade Federal de SC e W2B;Financiado pelo CNPq através do programa RHAE;


Projeto UCER

Implementar um protótipo de uma arquitetura de QoS(Qualidade de Serviços) sobre o MPLS;Definição de Acordos de Nível de Serviço (SLA –Service Level Agreement) em MPLS;Analisar o suporte da arquitetura MPLS na implementação de redes virtuais privadas (VPNs).

http://[email protected]


Considerações

Finais !!!


Considerações Finais!

Como QoS irá funcionar em uma Internet completamente heterogênea ?Como se obtém QoS quando múltiplos domínios administrativos de trânsito (backbones) ?Existem mecanismos para implementar QoS em redes corporativas ou dentro de domínios? Não existe bola de cristal para QoS na InternetDeve ser implementado e testado na prática


Qualidade de Serviço em redes IP

Obrigado

[email protected]

Dúvidas??

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