Calidad de Servicio

Ing. Elizabeth Guerrero V.

¿Necesitamos QoS en el mundo IP?

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ult

imed

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Ap

licacion

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Tecnologías de comunicaciones con elevadas prestaciones

¿Necesitamos QoS en el mundo IP?

• La plaga de Internet son las Congestiones continuas– Demanda de Tráfico = ó > ancho de banda– ”Best-effort" es el diseño utilizado actualmente en el diseño de Internet Protocol (IP)• Aparición de nuevas aplicaciones con requerimientos críticos (ejemplo: voz y video sobre IP).– Las empresas demandan Service Level Agreements (SLAs) con su operador, valor añadido, medida de calidad .– A mayor implantación de Internet mayores servicios sondemandados

Antecedente

• A finales de los 90, con advenimiento de las redesIP como ganadoras en la carrera por la supremacía de la Convergencia de Voz, Video y Datos, se volvió trascendental el término Calidadde Servicio (QoS)

• Es debido a que las redes IP eranenvariablemente “redes del mejor esfuerzo” y carecian de la QoS necesaria para las nuevasaplicaciones de real time.

• Desafío: Convertir las redes IP en modelos de servicios diferenciados

Definición de QoS

• “La calidad de servicio (QoS) es el efecto global de la calidad de funcionamiento de un servicio que determina el grado de satisfacción de un usuario de un servicio.” (Recomendación ITU-T E.800)

• El usuario estará satisfecho cuando su percepción del servicio supere (o al menos iguale) sus expectativas.

• Objetivo: reducir los desajustes entre las expectativas y la percepción.

Definición de QoS

• En Telemática:

• “Es la capacidad de un elemento de red(bien sea una aplicación, un servidor, unenrutador, un conmutador, etc.) de asegurarque su tráfico y los requisitos del serviciopreviamente establecidos puedan sersatisfechos”.

• Calidad de Servicio en Redes de Datos

• http://qos.iespana.es/

Requerimientos

• Un flujo es un conjunto de paquetes que van de un origen a un destino.

• En una red orientada a conexión, todos los paquetes que pertenezcan a un flujo siguen la misma ruta.

• En una red sin conexión pueden seguirdiferentes rutas.

Requerimientos

• La necesidad de cada flujo se puedencaracterizar por 4 parámetros principales:

– Confiabilidad,

– Retardo

– Fluctuación y

– Ancho de Banda

• Estos parámetros en conjunto determinan la QoS que el flujo requiere

Requerimientos• Cada aplicación precisa de unos parámetros de servicio particulares

para que sea posible que se establezca con las garantías suficientes

Requerimientos de Calidad de

Servicio de las aplicacionesAplicación Confiabilidad Retardo Fluctuación Ancho de Banda

Correo electrónico Alta Alto Baja Bajo

Transferencia de

ficheros

Alta Alto Baja Medio

Acceso Web Alta Medio Baja Medio

Sesión remota Alta Medio Media Bajo

Audio bajo demanda Baja Bajo Alta Medio

Vídeo bajo demanda Baja Bajo Alta Alto

Telefonía Baja Alto Alta Bajo

Vídeoconferencia Baja Bajo Alta Alto

Parámetros que definen el QoS

Reserva de Ancho de Banda:Garantiza que se transmita cierta cantidad de datos en un tiempodeterminado. Permite que proveedores de ATM puedan garantizar unmínimo de Ancho de Banda y de servicios. Se logra medianteidentificadores de cabecera de los paquetes y se utiliza para darprioridad al tráfico de un determinado tipo de archivos (video, sonido,voz, etc.), reservando en el momento del envío un determinado anchode banda para estos archivos, siempre y cuando estos los soliciten.

Retardo Extremo a Extremo:Puede ocurrir que los paquetes tomen un largo periodo enalcanzar su destino debido a largas colas o tomen rutas menosdirectas para prevenir la congestión de la red. Los retardosinutilizan aplicaciones (VoIP o Juegos en Línea). Los servicios entiempo real y multimedia son sensibles a retardos.

Parámetros que definen el QoSJitter:Es un cambio indeseado y abrupto de la propiedad de la señal. Variación enel tiempo de la llegada de los paquetes, causada por congestión de red,perdida de sincronización o por las diferentes rutas seguidas por lospaquetes para llegar a su destino.

Una red con fluctuación cero tarda exactamente el mismo tiempo en transferir cada paquete, mientras que una red con fluctuación alta tarda mucho más en entregar algunos paquetes que otros. La fluctuación es importante al enviar audio o vídeo, que deben llegar a intervalos regulares.

Parámetros que definen el QoS

Tasa de Error:Paquetes mal dirigidos, combinados entre si o corrompidos cuando seenrutan. El receptor tiene que detectarlos y justo cuando el paquete esliberado, pregunta al transmisor para repetirlo.

Texto: Los paquetes con errores pueden ser retransmitidos.Audio/Video: Pueden ser descartados, porque los paquetes

retransmitidos llegan fuera del orden correcto. Elnivel de errores se dispara por el “BIT ERROR RATE”(BER) . En un periodo de tiempo dado, el BER seobtiene:

BER = --------------------------Errores Detectados

N° Total de bits Tx

Congestión y Calidad de Servicio

• Sería muy fácil dar Calidad de Servicio si las redes nunca se congestionaran. Para ello habría que sobredimensionar todos los enlaces, cosa no siempre posible o deseable.

• Para dar QoS con congestión es preciso tener mecanismos que permitan dar un trato distinto al tráfico preferente y cumplir el SLA (Service Level Agreement).

Parámetros típicos de un SLA

• El contrato que especifica los parámetros de QoSacordados entre el proveedor y el usuario (cliente) se denomina SLA (Service Level Agreement)

Parámetro Significado Ejemplo

Disponibilidad Tiempo mínimo que el operador

asegura que la red estará en funcionamiento

99,9%

Ancho de

Banda

Indica el ancho de banda mínimo que el operador

garantiza al usuario dentro de su red

2 Mb/s

Pérdida de

paquetes

Máximo de paquetes perdidos (siempre y cuando

el usuario no exceda el caudal garantizado)

0,1%

Round Trip

Delay

El retardo de ida y vuelta medio de los paquetes 80 mseg

Jitter La fluctuación que se puede producir en el

retardo de ida y vuelta medio

20 mseg

SLA

Ideas para proveer QoS

• Controlar el número de usuarios que acceden al medio– No se puede proveer garantía de servicio si hay más

usuarios que recursos en la red.– Si no existen recursos suficiente no se puede admitir más

tráfico.• Limitar el tráfico inyectado en la red por los usuarios– Marcar el tráfico de los usuarios o de las aplicaciones.– Verificar que el tráfico que están transmitiendo los usuarios

es el correcto por contrato.– Tráfico que es excedido por contrato puede ser eliminado.• Gestión de colas inteligente en los router intermedios

Efectos de la congestión en el tiempo de servicio y el rendimiento

Tie

mp

o d

e S

erv

icio

Ren

dim

ien

to

Sin

Congestión

Congestión

Fuerte

Congestión

Moderada

Sin

Congestión

Congestión

Fuerte

Congestión

Moderada

Carga

QoS útil

y viable

QoS

inútil

QoS inviableQoS útil

y viable

QoS

inútil

QoS inviable

Calidad de Servicio: ¿Reserva o Prioridad?

• Existen dos posibles estrategias para dar trato preferente a un usuario en una red:– Carril BUS: reservar capacidad para su uso

exclusivo. A veces se denomina ‘QoS hard’. Ej.: VCs ATM con categoría de servicio CBR

– Ambulancia: darle mayor prioridad que a otros usuarios. A veces se denomina ‘QoS soft’. Ejemplo: Token Ring

• Cada una tiene ventajas e inconvenientes.

¿Reserva o Prioridad?Ventajas Inconvenientes

Reserva •Da una garantía casi total

•Los paquetes no necesitan

llevar ninguna marca que

indique como han de ser

tratados, la información la

tienen los routers

•Requiere mantener información de

estado en todos los routers por lo

que pasa la comunicación

•Se requiere un protocolo de

señalización para efectuar la reserva

en todo el trayecto

Prioridad •Los routers no necesitan

conservar información de

estado.

•Los paquetes han de ir marcados

con la prioridad que les corresponde

•La garantía se basa en factores

estadísticos, es menos segura que la

reserva de recursos (puede haber

overbooking)

¿Cómo se consigue?

Importancia de QoS

La QoS tiene cuatro variantes :1. La QoS que el usuario desea2. La QoS que el proveedor ofrece3. La QoS que el proveedor consigue realmente4. La QoS que finalmente, percibe el usuario

Decimos que una red o un proveedor ofrece “Calidad deServicio” o “QoS” (Quality of Service) cuando segarantiza el valor de uno o varios de los parámetros quedefinen la calidad de servicio que ofrece la red. Si elproveedor no se compromete en ningún parámetrodecimos que lo que ofrece un servicio “best effort”.

Importancia de QoS

BEST EFFORT: Mejor Esfuerzo.Es una forma de prestar aquellosservicios para los que no existe unagarantía de calidad de servicio (QoS).

Modelos de QoS

• Se han desarrollado y estandarizado los dos mecanismos de QoS, reserva y prioridad:– IntServ (Integrated Services) y protocolo RSVP. El usuario

solicita de antemano los recursos que necesita; cada router del trayecto ha de tomar nota y efectuar la reserva solicitada.

– DiffServ (Differentiated Services). El usuario marca los paquetes con un determinado nivel de prioridad; los routers van agregando las demandas de los usuarios y propagándolas por el trayecto. Esto le da al usuario una confianza razonable de conseguir la QoS solicitada.

• Ambos son compatibles y pueden coexistir

Modelos de QoS

• La congestión y la falta de QoS es el principal problema de Internet actualmente.

• TCP/IP fue diseñado para dar un servicio ‘besteffort’.

• Existen aplicaciones que no pueden funcionar en una red congestionada con ‘best effort’. Ej.: videoconferencia, VoIP (Voice Over IP), etc.

• Se han hecho modificaciones a IP para que pueda funcionar como una red con QoS

Ampliación Redes 4-25

Tipos de servicio en IntServ

Servicio Características Equivalencia

en ATM

Garantizado •Garantiza un caudal mínimo y un

retardo máximo

•Cada router del trayecto debe dar

garantías

•A veces no puede implementarse por

limitaciones del medio físico (Ej. Ethernet

compartida

CBR

VBR-rt

Carga Controlada

(‘Controlled

Load’)

•Calidad similar a la de una red de

datagramas poco cargada

•Se supone que el retardo es bajo, pero

no se dan garantías

VBR-nrt

‘Best Effort’ •Ninguna garantía (como antes sin QoS) UBR

Ampliación Redes 4-26

Garantizado

Carga controlada

Best Effort

Cau

dal

Reparto de recursos en IntServ

Tiempo

Clasificación de las aplicaciones en IntServ (Integrated Services)

Tolerantes a pérdidas Intolerantes a

pérdidas

Elásticas Datos UDP: DNS,

SNMP, NTP, etc.

Datos sobre TCP:

FTP, Web,e-mail, etc.

Tiempo

Real

Flujos Multimedia en

modo ‘streaming’,

videoconferencia,

telefonía sobre Internet,

etc.

Emulación de

circuitos (simulación

de líneas dedicadas)

Ampliación Redes 4-28

IntServ y RSVP

• Para ofrecer QoS IntServ se basa en la reserva previa de recursos en todo el trayecto

• Para esa reserva se emplea el protocolo RSVP (Resource ReserVation Protocol) muy relacionado con el modelo IntServ

• Se supone que la reserva permitirá asegurar la QoS solicitada (siempre y cuando la red tenga aún recursos suficientes)

• Normalmente la reserva se realiza para una secuencia de datagramas relacionados entre sí, que es lo que llamamos un flujo.

Ventajas de IntServ

• Simplicidad conceptual, que facilita que toda la red mantenga una politica de administraciónintegrada

• La posibilidad de crear reglas para flujosdiscretos, lo que posibilita la generación de llamadas de voz,

• La capacidad de control de admisión de llamadas(CAC), lo que permite conocer a los nodosextremos sobre la disponibilidad de ancho de banda

Desventajas de IntServ

• Todos los elementos deben mantener el estado e intercambiar mensajes de señalización por cada flujo que manejen.

• Se necesitan mensajes periódicos de refrescopara mantener las sesiones, lo que aumenta el tráfico en la red y es suceptible a perdidas de paquetes

• Todos los nodos intermedios deben tenerRSVP en sus funciones

Modelo DiffServ (Differentiated Services)

• Intenta evitar los problemas de escalabilidad que plantea IntServ/RSVP.

• Se basa en el marcado de paquetes únicamente. No hay reserva de recursos por flujo, no hay protocolo de señalización, no hay información de estado en los routers.

• Las garantías de calidad de servicio no son tan severas como en IntServ pero en muchos casos se consideran suficientes.

Ampliación Redes 4-32

DiffServ

• En vez de distinguir flujos individuales clasifica los paquetes en categorías (según el tipo de servicio solicitado).

• A cada categoría le corresponde un SLA (Service Level Agreement). Los usuarios pueden contratar o solicitar un determinado caudal en la categoría que deseen.

• Los routers tratan cada paquete según su categoría (que viene marcada en la cabecera del paquete). El Policy Control/Admission Control sólo se ha de efectuar en los routers de entrada a la red del proveedor y en los que atraviesan fronteras entre proveedores diferentes (normalmente en las fronteras entre sistemas autónomos).

DiffServ

• Tipicamente divide la red en:

1. Borde: se analizan los paquetes paradeterminar de donde y para donde va el tráfico, cuales son los servicios y aplicacionesinvolucradas.

2. Núcleo: determina la prioridad en el reenvíode los paquetes y/o su descarte

Tipos de Servicio en DiffServ

Servicio Características Equivalencia

en ATM

‘Expedited

Forwarding’ o

‘Premium’

•Es el que da más garantías. Equivale a

una línea dedicada

•Garantiza Caudal, tasa de pérdidas,

retardo y jitter

•Valor 101110 en DSCP

CBR

VBR-rt

‘Assured

Forwarding’

•Asegura un trato preferente, pero sin fijar

garantías (no hay SLA)

•Se definen cuatro clases y en cada una

tres niveles de descarte de paquetes

VBR-nrt

‘Best Effort’

con prioridad

•Sin garantías, pero obtendrá trato

preferente frente a ‘best effort sin prioridad’

ABR

‘Best Effort’ sin

prioridad

•Ninguna garantía, obtiene solo las migajas UBR

Expedited Forwarding o Premium

Assured Forwarding

Best Effort sin prioridadC

aud

al

Reparto de recursos en DiffServ

Tiempo

Best Effort con prioridad

Ventajas DiffServ

• Escalabilidad, ya que no necesita mantenerestados ni información de flujos

• Desempeño, los paquetes solo son inspeccionados una sola vez cuando se produce la clasificación

• Interoperabilidad, todos los dispositivosfuncionan en protocolo IP

• Flexibilidad, los nodos tienen la libertad de implementar cualquier procedimiento de QoS

Desventajas DiffServ

• Los servicios no están estrictamentegarantizados, ya que al no haber reserva de AB entre extremos, cualquier nodo mal configurado puede descartar flujos de clasesestablecidas

IntServ vs DiffServ• IntServ fue desarrollado con anterioridad a

DiffServ. Sin embargo DiffServ se ha extendido más que IntServ

• DiffServ permite agregar flujos, el modelo es escalable.

• Debido a estas diferencias muchos fabricantes de routers implementan versiones eficientes de DiffServ, pero no de IntServ.

• Actualmente muchos ISP implementan DiffServ.• Qbone (red expermiental de QoS en Internet 2)

utiliza el modelo DiffServ.

Combinación de RSVP y DiffServ

En la periferia de la red el uso de RSVP no plantea problemas y puede ser necesaria la reserva estricta de recursos.

En este caso el router que conecta con el núcleo ‘traducirá’ la petición al servicio DiffServ más parecido.

DiffServRSVP RSVP

RSVP RSVP

Soluciones para mejorar QoS en redes de datos

Permite obtener la máxima performance y valor de las aplicaciones y

tecnologías, monitorean, comprimen y controlan el uso de ancho de

banda de los enlaces para alinear los recursos WAN con los de la Red

Gestionada con QoS.

Permiten una visión clara e integral de las actividad de red general

con monitoreo, alertas y comprensión de eventos inusuales en

tiempo real, para realizar pronósticos y así evitar posibles

congestiones en la red.

Control y Optimización del Ancho de Banda

Monitoreo de Redes

Soluciones para mejorar QoS en redes de datos

Permite ofrecer una compresión de datos y un almacenamiento de

contenido estático y dinámico en caché de gran eficiencia para

acelerar el tiempo de respuesta de las aplicaciones. Las

optimizaciones de TCP superan los problemas ocasionados por las

conexiones de red congestionadas y con gran retardo.

Son equipos que permiten el análisis y la auditoria de red que

emplean distintas interfaces para los distintos segmentos del usuario,

ofreciendo una consola clara y sencilla que muestra la información

que el usuario necesita.

Optimización/Aceleración de Enlaces

Analizador de Protocolos