docto 2-qos

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Evaluación de mecanismos de calidad de servicio en los routers para servicios

multimedia

Santiago FeliciDoctorado: Sistemas y Servicios Telemáticos

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Sumario

• QoS y flujos: definición• Modelos de servicio• Modelo de colas• Modelos de fragmentación y descarte

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¿Qué es QoS?¿Qué es QoS?

• Se refiere a la habilidad de la red, de ofrecer prioridad a unos determinados tipos de tráfico, sobre diferentes tecnologías, incluyendo: Frame Relay, Asynchronous Transfer Mode (ATM), LANs y líneas dedicadas.

• QOS lo definen 4 parámetros: ancho de banda, retraso temporal, variación de retraso (o jitter) y probabilidad de error (o pérdida de paquetes o fiabilidad)

• QoS está directamente relacionado con el tamaño de colas y la congestión de la red, con la velocidad de conmutación y ancho de banda de los enlaces

• QoS provee de mejores y más predecibles servicios a la red mediante: Soporte de ancho de banda dedicado. Mejorando la características de perdida de paquetes. Evitando y manejando la congestión de la red. Organizando el tráfico. Introduciendo prioridades de tráfico a lo largo de la red.

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Requerimientos de Calidad de Servicio de las aplicaciones

Aplicación Fiabilidad Retardo Jitter Ancho de BandaCorreo electrónico Alta (*) Alto Alto Bajo

Transferencia de ficheros Alta (*) Alto Alto Medio

Acceso Web Alta (*) Medio Alto Medio

Login remoto Alta (*) Medio Medio Bajo

Audio bajo demanda Media Alto Medio Medio

Vídeo bajo demanda Media Alto Medio Alto

Telefonía Media Bajo Bajo Bajo

Vídeoconferencia Media Bajo Bajo Alto

(*) La fiabilidad alta en estas aplicaciones se consigue automáticamente al utilizar el protocolo de transporte TCP

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Ejemplo: Necesidad QoS en Ejemplo: Necesidad QoS en VoIP (telefonía sobre Internet)VoIP (telefonía sobre Internet)

• VoIP requiere misma calidad que teléfono tradicional. Los usuarios de aplicaciones de VoIP, necesitan obtener la

misma calidad de transmisión que la recibida hasta entonces mediante la red telefónica básica. Esto implica alta calidad en las transmisiones de voz.

• Muy Sensible a retardos, y necesita un ancho de banda garantizado. Las aplicaciones de VoIP tienen una gran sensibilidad ante los

retardos, y necesitan un mínimo ancho de bada garantizado.

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• Perdida de paquetes < 1%

• Retraso extremo-extremo < 150 ms La especificación de la ITU G.114 recomienda menos de 150 ms de

retraso máximo entro los nodos extremos(bordes de la red), para tráfico en tiempo real, como la voz.

• Los paquetes de VoIP deben recibir un trato especial

El codec por defecto G.729 requiere que el número de paquetes perdidos sea menor del 1% para evitar errores perceptibles. Idealmente no debe de producirse perdida de paquetes.

Ejemplo: Necesidad QoS en Ejemplo: Necesidad QoS en VoIP (telefonía sobre Internet)VoIP (telefonía sobre Internet)

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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).

• El SLA suele ser estático y definido en el momento de negociación del contrato con el proveedor de servicio o ISP (Internet Service Provider).

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CargaR

endi

mie

nto

SinCongestión

CongestiónFuerte

CongestiónModerada

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

SinCongestión

CongestiónFuerte

CongestiónModerada

Tiem

po d

e Se

rvic

io

Carga

QoS útil y viable

QoS inútil QoS inviableQoS útil y viable

QoS inútil QoS inviable

Por efecto de retransmisiones

Aquí QoS!!

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Calidad de Servicio (QoS)

• Decimos que una red o un proveedor ofrece ‘Calidad de Servicio’ o QoS (Quality of Service) cuando se garantiza el valor de uno o varios de los parámetros que definen la calidad de servicio que ofrece la red. Si el proveedor no se compromete en ningún parámetro decimos que lo que ofrece un servicio ‘best effort’.

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

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Calidad de Servicio en Internet

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

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

• 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

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Red Internet

Trafico H.323

Trafico FTP

Trafico HTTP

H.323, lo marco como prioritario

Mirar prioridad y aplicar QoS



Aplico QoS, y quito las marcas

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Calidad de servicio en Internet: mecanismos

• 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. Es el más interesante actualmente.

... (ambos son compatibles y pueden coexistir)... (ambos son compatibles y pueden coexistir)No hemos incluido No hemos incluido Best EffortBest Effort, porque es equivalente a no hacer , porque es equivalente a no hacer

nada, el más fácil de implementar con gestión de colas por FIFO nada, el más fácil de implementar con gestión de colas por FIFO (First In, First Out)(First In, First Out)

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Concepto de flujo• Un flujo es una secuencia de datagramas que se

produce como resultado de una acción del usuario y requiere la misma QoS

• Un flujo es simplex (unidireccional)• Un flujo es la entidad más pequeña a la que los routers

pueden aplicar una determinada QoS• Ejemplo: una videoconferencia estaría formada por

cuatro flujos, dos en cada sentido, uno para el audio y otro para el vídeo.

• Los flujos pueden agruparse en clases; todos los flujos dentro de una misma clase reciben la misma QoS.

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A147.156.135.22

B158.42.35.13

Flujo vídeo A->B: 147.156.135.22:2056 -> 158.42.35.13:4065Flujo audio A->B: 147.156.135.22:3567 -> 158.42.35.13:2843Flujo vídeo B->A: 158.42.35.13:1734 -> 147.156.135.22:6846Flujo vídeo B->A: 158.42.35.13:2492 -> 147.156.135.22:5387

Flujos en una videoconferencia

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Vídeo 128 Kb/sIP: 147.156.21.20Puerto UDP: 2038

Vídeo 256 Kb/sIP: 147.156. 47.12Puerto UDP: 3124

IP: 158.26.36.97Puerto UDP: 5753

IP: 158.26.112.76Puerto UDP: 2127

Flujo ‘rojo’ (128 Kb/s): 147.156.21.20.2038158.26.112.76.2127

Flujo ‘verde’ (256 Kb/s):147.156.47.12.3124158.26.36.97.5753

Reserva total flujos de vídeo:en sentido X Y: 384 Kb/s

X Y

Agrupación de flujos o clases en vídeo

128 Kbps + 256 Kbps= 384 Kbps

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Identificación de flujos• En IPv4 se hace por:

Dirección IP de origenPuerto de origenDirección IP de destinoPuerto de destinoProtocolo de transporte utilizado (TCP o UDP)

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Sumario


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Arquitectura QoS en una redArquitectura QoS en una red

• No todos los routers tienen la misma estructura:

Routers del borde

Routers del interior

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Arquitectura QoS en una redArquitectura QoS en una red

• No todas las técnicas son apropiadas para todos los routers de la red.

• Debemos de seleccionar las características apropiadas de QoS en cada sitio.

Routers del borde Routers del interior

Clasificación de paquetes. Control de admisión. Administración de la

configuración.

Tratamiento de la congestión.

Evitar congestión.

MODELOS DE SERVICIOMODELOS DE SERVICIO(QoS)(QoS)

• Best-Effort Service

• Integrated Service

• Differentiated Service

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Best-Effort ServiceBest-Effort Service

Es un modelo simple de servicio, en el cual, una aplicación envía información cuando ella lo desea, en cualquier cantidad, sin ningún permiso requerido, y sin informar previamente a la red.

• Es el modelo más sencillo.

• No asegura, throughput, retraso o fiabilidadLa red reparte o envía la información si puede, sin

asegurar ningún retraso, throughput o fiabilidad

• Usa modelo de cola FIFO(First-in fisrt-out)




• Diferentiated Service

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Integrated ServiceIntegrated Service

• Integrated Service. Dos tipos de QoS. Este modelos también es conocido en muchas áreas

de la literatura de QoS, como Guaranteed level. Se le llama así porque uno de los dos tipos de QoS que ofrece garantiza recursos íntegramente.

• Antes de enviar datos petición servicio En este modelo, una aplicación realiza una petición

de una clase de servicio específica a la red, antes de comenzar a enviar información.

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• Señalización explicita Clase de servicio ! La petición se realiza mediante una señalización

explicita, de modo que la aplicación informa a la red del perfil o características de su tráfico, y pide una clase particular de servicio que pueda satisfacer sus requerimientos, tanto de ancho de banda como de retraso.

• La red confirma la petición. La aplicación queda a la espera de enviar la información

hasta recibir la confirmación de la petición por parte de la red.

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• La red realiza control de admisión. La red realiza una control de admisión, en función de la

petición realizada por la aplicación y los recursos disponibles en la red.

• La red guarda información de estado. La red mantiene información del estado de sí misma por

flujos, mirando la clasificación, normas, y el algoritmo de cola en cada estado.

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Integrated ServiceIntegrated Service RSVP RSVP

RSVP: Mecanismo más utilizado en el modelo ‘Integrated Services’. Es un protocolo de señalización, no de routing. El mecanismo más importante para llevar a cabo el modelo

‘Integrated Service’ es el llamado RSVP, Resource Reservation Protocol, que puede ser utilizado por las aplicación para enviar los requerimientos de QoS al router.

Con RSVP pueden usarse 2 mecanismos

(o clases de servicio)

Guaranteed Rate ServiceEquivalente en ATM a CBR, VBR-rt

Controled Load ServiceEquivalente en ATM a VBR-nrt

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Problemas de IntServ/RSVP

• RSVP produjo una euforia inicial (1996-1997) que luego dió paso a la decepción.

• La razón principal fueron problemas de escalabilidad debidos a la necesidad de mantener información de estado en cada router de cada flujo. Esto hace inviable usar RSVP en grandes redes, por ejemplo en el ‘core’ de Internet.




• Differentiated Service

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Differentiated ServiceDifferentiated Service

Differentiated Service es un modelo de múltiples servicios que puede satisfacer diferentes requerimientos de QoS.

• Modelo basado en uso de múltiples clases.

• No usa señales Integrated Services. No utiliza señales para especificar los servicios requeridos de la red

previamente, lo cual lo diferencia del nivel o modelo Integrated Service, que veremos a continuación.

• Clase especificada por: IP Precedence, DSCP En este modelo, la red intenta hacer un reparto basándose en una serie

de clases de QoS, especificadas en cada paquete. Esta clasificación se puede realizar usando diferentes métodos, como IP Precedence o DSCP.

DSCP= Differentiated Service Code Point

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Pasos para la aplicación de QoS Pasos para la aplicación de QoS en DiffServen DiffServ

• Comprobar que existe suficiente ancho de banda para cursar la comunicación.

• Clasificación y marcado de paquetes por la dirección IP, puertos, etc

• Elección de un mecanismo de cola eficiente que respete la SLA.

• Mecanismo de fragmentación.

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Sumario


Mecanismos de colaMecanismos de colaQoSQoS

• First-in First-out (FIFO)

• Priority Queuing(PQ)

• Custom Queuing (CQ)

• Weighted Fair Queueing (WFQ) y otros

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FIFO, el más básicoFIFO, el más básico

En su forma más sencilla, el mecanismo de cola FIFO, se encarga de almacenar paquetes cuando hay congestión en la red, y a enviarlos cuando tiene la posibilidad, manteniendo el orden de llegada, es decir, que no ofrece ninguna prioridad de unos paquetes sobre otros.

Es el método más rápido. Este es el mecanismo que se suele utilizar por defecto,

como ya comentamos anteriormente cuando hablamos de ‘best-effort’.

Cisco lo utiliza por defecto en enlaces superiores a T1 (1.5 Mbps)

• Usa la técnica de Almacenamiento y reenvío

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FIFOFIFO

Hoy en día se necesitan algoritmos más sofisticados, que permiten diferenciar entre distintos tipos de paquete, por lo que este método está cayendo en desuso.

• FIFO está limitado por su bufer. Este algoritmo, al igual que ocurre con el resto de

mecanismo de cola, tiene como limitación la capacidad de su bufer en momentos de congestión.

• No es recomendable para QoS.

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Prioritizing Traffic (PQ)Prioritizing Traffic (PQ)• Da prioridad estricta al tráfico importante

Asegura que el tráfico importante reciba un servicio rápido en cada punto de la red, donde está mecanismo este presente.

• Existen 4 clases de prioridad de tráfico En el mecanismo PQ, cada uno de los paquetes debe de

ser colocado en una de las cuatro posibles colas (alta, media, normal, baja prioridad), servidas en riguroso orden de prioridad, lo cual puede crear inanición.

Ofrece garantías totales. Las prioridades se definen por filtros en los routers.

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Prioritizing Traffic (PQ)Prioritizing Traffic (PQ)

La prioridad de los paquetes puede diferenciarse por diversos medios, como: el protocolo de red, el interfaz del router por el que llegue el paquete, el tamaño del paquete y la dirección de origen o destino.

Los paquetes que no se puedan clasificar serán asignados a la cola de prioridad normal.

• Clasificación: Protocolo,interfaz de acceso dir. Origen y destino, tamaño del paquete.

• Inconveniente: Este método es estático y no se adapta a los requerimientos de la red.

• Además, puede crear inanición, es decir dejar fuera de servicio a tráfico menos prioritario.

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Esquema gráfico (PQ)Esquema gráfico (PQ)

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Custom Queueing (CQ)Custom Queueing (CQ)

CQ fue diseñado para permitir que varias aplicaciones compartieran la red, y que además tuvieran asignado un ancho de banda mínimo garantizado, y unas garantías aceptables en cuanto a los retrasos.

• Permite que las aplicaciones compartan la red

• El ancho de banda se reparte equitativamente. En este método el acho de banda debe de ser compartido

proporcionalmente entre las aplicaciones o usuarios en forma de Round Robin o quantos de tiempo, sin dejar tráfico fuera de servicio.

No dá garantías estrictas.

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Esquema gráfico (CQ)Esquema gráfico (CQ)

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Weighted fair queuing (WFQ)Weighted fair queuing (WFQ)

Los mecanismos vistos anteriormente son estáticos, y por lo tanto no se adaptan a los cambios producidos en la red. Por ello ha sido necesario un mecanismo como WFQ, que es adaptativo.

No dá garantías totales como PQ.

• WFQ es adaptativo a los cambios en la red

WFQ es adecuado para situaciones donde se necesite un buen tiempo de respuesta, para usuarios que hagan tanto un uso elevado de la red, tanto como para los que hagan un uso más leve, sin añadir ancho de banda adicional.

Cisco lo utiliza por defecto en enlaces inferiores a T1 (1,5 Mbps)

• Proporciona un buen tiempo de respuesta

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Weighted fair queuing (WFQ)Weighted fair queuing (WFQ)

WFQ es un algoritmo de cola basado en flujos (o sesiones), que realiza dos tareas simultáneamente y de forma automática:Organiza el tráfico (de tiempo real), poniéndolo al principio

de la cola, reduciendo así el tiempo de respuesta.Comparte equitativamente el resto del ancho de banda, entre el

resto de tráfico de alta prioridad WFQ asegura que las diferentes colas no se queden privadas de

un mínimo ancho de banda, de modo que el servicio proporcionado al tráfico es más predecible.

Considera flujos de poco caudal con flujos sensibles al retardo, por ej. VOIP

No es escalable dentro de una gran red.

• WFQ es un algoritmo basado en flujos.

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Esquema gráfico (WFQ)Esquema gráfico (WFQ)

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Funcionamiento de CBWFQLa falta de escalabilidade WFQ se soluciona con Class Based WFQ.La falta de escalabilidade WFQ se soluciona con Class Based WFQ.

Estructura interna del interface de salidaEstructura interna del interface de salida

Los paquetes llegan clasificados, ya no tenemos en cuenta los flujos independientes, solo la clase.

∑ Bwi < 75%

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Definición de clasesLas clases utilizadas en CBWFQ pueden asociarse a:• Flujos (direcciones origen-destino, protocolo, puertos)• Prioridades (campo DS differentiated service, otras etiquetas)• Interfaces de entrada/salida• VLAN

Estas clases se implementan filtrando el tráfico con filtros en los routers.

Este proceso se llama clasificación de tráfico, que puede ir acompañado a su vez con proceso de marcado de paquetes.

El servicio recibido en función de esta clasificación se asocia a la política de servicio.

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Low Latency QueueLLQ se comporta como una LLQ se comporta como una Priority Queue.Priority Queue.

• LLQ es recomendable para tráfico multimedia (VoIP) que requiere de unas características muy especiales: bajo retardo y jitter.

• Se puede configurar junto al resto de colas CBWFQ como una cola más asociada a una clase determinada.

V: voice

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Sumario


Mecanismos de fragmentación Mecanismos de fragmentación y descartey descarte

• LFI (Link Fragment and Interleaving)

• Descarte selectivo de paquetes

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Fragmentación e Inserción (LFI)Fragmentación e Inserción (LFI)Link Fragment and InterleavingLink Fragment and Interleaving

• Problema: Llegada de un paquete IP a su cola de prioridad(estando esta vacía) mientras está saliendo de router en ese momento otro paquete perteneciente a otra clase retardo.

El producido por un paquete con tamaño de MTU de 1500 bytes en una línea de 64 Kbps puede llegar: Retraso = ( 1500 bytes * 8 bits/byte) / 64.000 bps) = 187.5 ms

• Solución: Troceamos los paquetes de datos en ‘chunks’ de 10ms, es decir, que el tamaño de un paquete será igual al máximo flujo de información que se pueda enviar por la línea en 10 ms. Los paquete de VoIP deberán ser insertados entre estos paquetes, asegurando un retraso mucho menor. Los paquetes VoIP no deben fragmentarse !!

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Antes

1500-bytes Trama de datos60-bytes Voz

Retraso producido = 187.5 ms

(Frame = 1500byte a 64 Kbps)

Usando LFI

Datos VozDatos Datos

Ejemplo de uso de LFIEjemplo de uso de LFI

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Esquema gráfico LFIEsquema gráfico LFI

Mecanismos de fragmentación Mecanismos de fragmentación y descartey descarte

• LFI (Link Fragment and Interleaving)

• Descarte selectivo de paquetes

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Congestión: RED & WREDCongestión: RED & WRED• Cuando simultáneamente, muchas conexiones TCP son cortadas por congestión,

directamente reducen su caudal abruptamente, con lo cual desaparece la congestión. A continuación todas las conexiones aumentan su caudal de forma exponencial al comprobar que la congestión ha desaparecido, con lo cual, al poco rato la situación de congestión vuelve a producirse, además de producir un fenómeno oscilante.

• Solución: descartar paquetes sólo de una conexión, que viole los caudales preestablecidos y dejar intacta las demás.

• Existen mecanismo para el tratamiento de la congestión de la red que son beneficiosos.• Entre estos se encuentran: RED (Random Early Detection) y WRED (Weighted

Random Early Detection) y DWRED (Distributed WRED).• Estos mecanismo evitan la congestión de la red y la probabilidad de pérdida. • En caso de producirse una fuerte congestión pueden ser capaces de realizar el descartes

de paquetes oportunos, es decir, no realizando un descarte paquete al azar, lo cual podría producir por ejemplo, la eliminación de un paquete clave que produjera la reacción del algoritmo slow-start de TCP.

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RED RED (Random Early Detection)(Random Early Detection)

• Provee a los operadores de la red, la posibilidad de aplicar normas para el manejo del tráfico y maximizar el throughput bajo condiciones de congestión.

• Trabaja junto a protocolos a nivel de transporte como TCP, evitando la congestión a aplicando una serie de algoritmos: Distingue entre ráfagas de tráfico temporal que pueden ser absorbidas por

la red, y cargas excesivas de tráfico que pueden saturar la red. Trabaja en cooperación con el extremo generador de tráfico, para evitar la

oscilación producida por el protocolo TCP, que puede causar ondas de congestión en la red.

RED trabaja con TCP, para anticiparse y manejar la congestión en momentos de tráfico excesivo, para maximizar el througput mediante el descarte de paquetes.

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WRED WRED (Weigted Random Early (Weigted Random Early Detection)Detection)

• Combina las capacidades de RED y de IP Precedence, para poveer diferentes clases de servicio en función de las características de la información.

• WRED también proporciona manejadores para tráfico prioritario en momentos de congestión.

• Además posee todas las capacidades anteriormente citadas para RED.

• WRED también puede colaborar con RSVP, proporcionando un controlador de carga, o indicando si es factible una reserva de espacio en alguna cola.

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Esquema gráfico WREDEsquema gráfico WRED

docto 2-qos

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