Qualidade de Serviço em Redes IP Mecanismos de QoS

1. Qualidade de Serviço em Redes IPMecanismos de QoS Edgard Jamhour

2. QoS sobre Redes IP • O protocolo IP, conforme definido originalmente: • Não suporta QoS (Qualidade de Serviço). • Adota o modelo de serviço BEST EFFORT: • o primeiro pacote a chegar será o primeiro a ser atendido.

3. QoS sobre Redes IP • Atualmente o protocolo IP está sendo modificado e novos padrões estão sendo definidos para suportar duas estratégias de QoS: • Serviços integrados • Serviços diferenciados

4. Objetivos do QoS • Controle sobre recursos • Privilegiar aplicações mais importantes (rentáveis) na rede. • Garantir o funcionamento de aplicações sensíveis a atraso • Evitar que o tráfego Web introduza atraso para aplicações de VoIP.

5. Objetivos de QoS • SLA (Service Level Agreements) • Diferenciar usuários e serviços de acordo com contratos pré-estabelecidos. • Redes Convergentes. • Permitir que uma única tecnologia de rede possa ser utilizada para prover todos os tipos de serviços.

6. Qualidade de Serviço - QoS • QoS é uma garantia oferecida pela rede que certos parâmetros serão mantidos entre níveis pré-acordados. • Os principais parâmetros de QoS são: • Atraso • Jitter: Variação no Atraso • Taxa de transmissão • Taxa de Perda de Pacotes

7. Qualidade de Serviço - QoS QoS na Camada de Aplicação QoS na Camada de Transporte QoS na Camada de Rede Internet QoS em Enlace QoS refere-se a capacidade de criar um caminho com banda e tempo de atraso garantidos entre dois pontos da rede.

8. QoS: Rede ou Enlace? • Na camada de Enlace: • Redes Síncronas: • SDH (combinação de canais de banda constante) • Redes Assíncronas: • ATM: Permite Reservar Recursos • Frame-Relay: Apenas Limita a Banda

9. QoS: Rede ou Enlace? • Na camada de rede: • IP: Permite implementar a qualidade de serviço fim a fim independente da tecnologia de enlace. • Implementado com ou sem sinalização.

10. Atraso • O atraso é uma das principais medidas de QoS. • Em aplicações tempo-real o atraso provoca perda de QoS. • Exemplo: eco e sobreposição de conversação em VOIP.

11. Fatores que Influenciam o Atraso Congestionamento nos links Capacidade do Terminal Velocidade do Link Congestionamento na rede local Tempo de propagação Bufferização nos Roteadores

12. Curva de QoS em Função do Atraso

13. Trecho (Round Trip Delay) Atraso de Propagação Miami a São Paulo 100 mseg New York a Los Angeles 50 mseg Los Angeles a Hong Kong 170 mseg Tempo de Propagação • Atrasos de Propagação - Fibras Ópticas – Exemplos

14. Fontes de Atraso • Atraso introduzido por equipamentos: • Roteadores, Switches, Firewalls, etc. • Atraso introduzido pelos hosts • Velocidade da CPU e Acesso a Memória • Eficiência do Sistema Operacional e da Pilha de Protocolos • Paginação de Memória

15. Perda de Pacotes • Pacotes são perdidos devido aos seguintes fatores: • Erros no pacote: • Cabeçalho do pacote: • Descartados pelos roteadores • Campo de dados: • Descartados pelo computador TCP DADOS IP Checksum apenas do cabeçalho Checksum inclui os dados

16. Perda de Pacotes • Falta de Banda • Estouro de buffer dos roteadores . • Descarte preventivo (controle de atraso) • Pacotes menos prioritários são descartados. Os buffers são associados a cada interface

17. Tipos de Controle de QoS • Aplicações tempo-real • Aplicações sensíveis ao atraso • Tolerantes a perda de pacotes • Intolerantes a perda de pacotes • OBJETIVO: DISPONIBILIDADE CONSTANTE DE BANDA • Aplicações elásticas • Aplicações que não são afetadas pelo atraso. • Exemplo: Email, FTP, Compartilhamento P2P • OBJETIVO: BANDA MÉDIA EM PERÍODOS MÉDIOS OU LONGOS

18. Requisitos de QoS

19. Arquiteturas para QoS As arquiteturas de QoS envolvem 3 elementos: Técnicas para implementar QoS em um nó da rede. Técnicas de sinalização de QoS, para informar aos vários nós da rede como proceder na passagem de um fluxo. Funções para gerenciamento, política e contabilização do QoS de uma rede como um todo.

20. Arquiteturas para QoS nó nó 2. sinalização sinalização sinalização sinalização nó nó nó Políticas de QoS (SLA, Controle de Admissão) 1. Mecanismo de QoS Priorização Descarte Etc. 3. Ferramenta de Gerenciamento

21. Mecanismos de QoS no Nó • Classificação • Enfileiramento • Priorização (com ou ser garantia de banda) • Adequação do Perfil de Tráfego • Antecipação de Congestionamento • Policiamento

22. Classificação • A classificação dos pacotes é feita de acordo com regras para descriminação de fluxo. • As regras comumente utilizadas são: • Interface do dispositivo • IP origem • IP destino • Tipo de Protocolo • TOS • Flow Label (IPv6) • Porta origem • Porta destino Enlace Rede Transporte

23. Bit Bit Requisição Prioridade 1 000 Minimizar retardo Muito Baixa 2 001 Baixa Maximizar vazão 3 .. Maximizar confiabilidade Maximizar confiabilidade 4 111 Muito Alta Minimizar custo Campo TOS: Tipo de Serviço IP Header PayLoad TOS

24. Enfileiramento FIFO • Trata as variações de tráfego através de uma fila, mas não utiliza nenhum tipo de prioridade. • Modelo Best-Effort LINK B (rede WAN: 1 Mbps) LINK A (rede local: 100 Mbps) LINK A > LINK B FILA INTERNA NO ROTEADOR

25. Enfileiramento com Prioridade

26. Enfileiramento com Banda Garantida • Escalonamento round-robin. • A quantidade de pacotes transmitidos de cada fila é ponderada. 2/10 3/10 4/10 Fila de baixa prioridade (1 pacotes de cada vez) 1/10 Fila de alta prioridade (4 pacotes de cada vez)

27. CQ: Guaranteeing Bandwidth

28. Weighted fair queuing (WFQ) • Efetua classificação do tráfego por fluxo: • Endereço IP de origem e destino • Portas de origem e destino • Tipo de protocolo • Os fluxos são armazenados num número configurável de filas. • Fluxos de baixo volume, que são a grande maioria do tráfego, recebem um serviço preferencial. • Fluxos de alto volume, dividem o restante da banda de maneira proporcional entre eles.

29. Weighted fair queuing (WFQ)

30. Weighted fair queuing (WFQ) • Dando prioridade para os fluxos mais curtos, o WFQ reduz significativamente o atraso médio de entrega dos pacotes.

31. saída (bytes/s) d <= b/p p r t Adequação do Perfil de TráfegoModelo Token Bucket • Permite adequar o tráfego em torno de uma taxa média, com rajadas de intensidade controlada. r bytes/s R b bytes reserva chegada Serviço Garantido se r <= R saída R p bytes/s B

32. Parâmetros • r - taxa média em bytes/s • b - tamanho do bucket (em bytes) • p - taxa de pico • m - tamanho mínimo do pacote • (pacotes menores que esse valor são contados como m bytes) • M - MTU (tamanho máximo do pacote) • Regra: seja T o tráfego total pelo fluxo num período T: • T < rT + b

33. Traffic Shaping com Token Bucket

34. Técnicas para Evitar Congestionamento • Limitam o tamanho da filas através de um descarte preventivo. • RED: Randon Early Detection • Descarte randômico assim que o tamanho da fila atinge um limiar pré-definido. • WRED: RED ponderado • Leva em conta as informações de prioridade do campo TOS dos pacotes IP.

35. RED

36. Policiamento • Um limite de tráfego é imposto aos fluxos definidos pelo classificador. • O descarte de pacotes é feito com base na medição do tráfego antes do armazenamento dos pacotes nas filas do roteador. • Pode utilizar o modelo token bucket.

37. Conclusão • Muitos dispositivos de rede possuem mecanismos para QoS. • A disponibilidade de mecanismos variam de dispositivo para dispositivo. • Vários algoritmos estão disponíveis para priorização, policiamento, descarte e adequação do perfil de tráfego.