Presentaci

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Evaluación de mecanismos de calidad de servicio
en los routers para servicios multimedia
Santiago Felici Doctorado Sistemas y Servicios
Telemáticos
2
Sumario

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

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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 Banda
Correo 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 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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Ejemplo Necesidad QoS en VoIP (telefonía sobre
Internet)

• Perdida de paquetes lt 1

• 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.

• Retraso extremo-extremo lt 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

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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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Efectos de la congestión en el tiempo de servicio
y el rendimiento
Aquí QoS!!
Sin Congestión
Congestión Fuerte
Congestión Moderada
Sin Congestión
Congestión Fuerte
Congestión Moderada
Tiempo de Servicio
Rendimiento
Carga
Carga
QoS útil y viable
QoS inútil
QoS inviable
QoS útil y viable
QoS inútil
QoS inviable
Por efecto de retransmisiones
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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
Mirar prioridad y aplicar QoS
Mirar prioridad y aplicar QoS
Mirar prioridad y aplicar QoS
H.323, lo marco como prioritario
Aplico QoS, y quito las marcas
Trafico H.323
Trafico FTP
Trafico HTTP
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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)
• No hemos incluido Best Effort, porque es
  equivalente a no hacer nada, el más fácil de
  implementar con gestión de colas por FIFO (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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Flujos en una videoconferencia
A 147.156.135.22
B 158.42.35.13
Flujo vídeo A-gtB 147.156.135.222056 -gt
158.42.35.134065 Flujo audio A-gtB
147.156.135.223567 -gt 158.42.35.132843 Flujo
vídeo B-gtA 158.42.35.131734 -gt
147.156.135.226846 Flujo vídeo B-gtA
158.42.35.132492 -gt 147.156.135.225387
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Agrupación de flujos o clases en vídeo
Flujo rojo (128 Kb/s) 147.156.21.20.2038?158.
26.112.76.2127
Reserva total flujos de vídeo en sentido X ?Y
384 Kb/s
Vídeo 128 Kb/s IP 147.156.21.20 Puerto UDP 2038
IP 158.26.112.76 Puerto UDP 2127
X
Y
Flujo verde (256 Kb/s) 147.156.47.12.3124?158.2
6.36.97.5753
IP 158.26.36.97 Puerto UDP 5753
Vídeo 256 Kb/s IP 147.156. 47.12 Puerto UDP 3124
128 Kbps 256 Kbps 384 Kbps
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Identificación de flujos

• En IPv4 se hace por
• Dirección IP de origen
• Puerto de origen
• Dirección IP de destino
• Puerto de destino
• Protocolo de transporte utilizado (TCP o UDP)

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Sumario

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

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Arquitectura QoS en una red

• No todos los routers tienen la misma estructura

Routers del interior
Routers del borde
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Arquitectura 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.

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MODELOS DE SERVICIO (QoS)

• Best-Effort Service
• Integrated Service
• Differentiated Service

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Best-Effort Service

• Es el modelo más sencillo.

• 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.

• No asegura, throughput, retraso o fiabilidad

• La red reparte o envía la información si puede,
  sin asegurar ningún retraso, throughput o
  fiabilidad

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

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MODELOS DE SERVICIO (QoS)

• Best-Effort Service
• Integrated Service
• Diferentiated Service

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Integrated 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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Integrated Service

• 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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Integrated Service

• 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 Service 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.

Guaranteed Rate Service Equivalente en ATM a CBR,
VBR-rt
Con RSVP pueden usarse 2 mecanismos (o clases de
servicio)
Controled Load Service Equivalente 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.

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MODELOS DE SERVICIO (QoS)

• Best-Effort Service
• Integrated Service
• Differentiated Service

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Differentiated Service

• Modelo basado en uso de múltiples clases.

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

• 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 en 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

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

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Mecanismos de cola QoS

• First-in First-out (FIFO)
• Priority Queuing(PQ)
• Custom Queuing (CQ)
• Weighted Fair Queueing (WFQ) y otros

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FIFO, el más básico

• Usa la técnica de Almacenamiento y reenvío

• 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)

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FIFO

• 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.

• 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.

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Mecanismos de cola QoS

• First-in First-out (FIFO)
• Priority Queuing(PQ)
• Custom Queuing (CQ)
• Weighted Fair Queueing (WFQ) y otros

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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)

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

• 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.

• 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)
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Mecanismos de cola QoS

• First-in First-out (FIFO)
• Priority Queuing(PQ)
• Custom Queuing (CQ)
• Weighted Fair Queueing (WFQ) y otros

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Custom Queueing (CQ)

• Permite que las aplicaciones compartan la red

• 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.

• 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)
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Mecanismos de cola QoS

• First-in First-out (FIFO)
• Priority Queuing(PQ)
• Custom Queuing (CQ)
• Weighted Fair Queueing (WFQ) y otros

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Weighted fair queuing (WFQ)

• WFQ es adaptativo a los cambios en la red

• 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.

• Proporciona un buen tiempo de respuesta

• 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)

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Weighted fair queuing (WFQ)

• WFQ es un algoritmo basado en flujos.

• 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.

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Esquema gráfico (WFQ)
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Funcionamiento de CBWFQ
La falta de escalabilidade WFQ se soluciona con
Class Based WFQ. Estructura interna del interface
de salida
? Bwi lt 75
Los paquetes llegan clasificados, ya no tenemos
en cuenta los flujos independientes, solo la
clase.
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Definición de clases

• Las 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 Queue
LLQ se comporta como una Priority Queue.
V voice

• 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.

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Sumario

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

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Mecanismos de fragmentación y descarte

• LFI (Link Fragment and Interleaving)
• Descarte selectivo de paquetes

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Fragmentación e Inserción (LFI)Link 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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Ejemplo de uso de LFI
Antes
1500-bytes Trama de datos
60-bytes Voz
Retraso producido 187.5 ms (Frame 1500byte a
64 Kbps)
Usando LFI
Datos
Voz
Datos
Datos
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Esquema gráfico LFI
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Mecanismos de fragmentación y descarte

• LFI (Link Fragment and Interleaving)
• Descarte selectivo de paquetes

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Congestión 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 (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 (Weigted Random Early 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 WRED