Controle de QoS Em Redes Convergentes

1. Controle de QoS Em Redes Convergentes Dr. Denis Gabos, Eng. Coordenador Tecnologia em Redes de Computadores Centro Universitário SENAC Campus Santo Amaro denis.gabos@sp.senac.br

2. Agenda 1 INTRODUÇÃO • Caracterização de Tecnologias • Convergentes • Motivação 2 CONCEITOS GERAIS • QoS e Controle de QoS • Arquitetura Conceitual • Arquiteturas Edge-to-edge 3 ARQUITETURAS COMPLETAS E TECNOLOGIAS • IntServ e DiffServ • MPLS • Controle de QoS no IPv6 4 EXEMPLO • Rede SADIA

3. 1INTRODUÇÃO

4. Redes Convergentes • São aquelas que suportam a integração de • dados, voz (áudio) e vídeo • com suas respectivas necessidades de qualidade de serviço, isto é, • suportam aplicações multimídia, de voz e de comunicação de dados, todas juntas numa mesma rede.

5. Benefícios da Convergência • Redes por comutação de circuitos desperdiçam banda. As redes por comutação de pacotes e as redes IP em particular otimizam a utilização dessa banda. • Existência de uma única infra-estrutura de rede com interface única padronizada para acesso de voz, dados e vídeo. • Acabam com a sobreposição de redes, que geram custos mais elevados por multiplicação de custos. • Uso de tecnologias abertas (IP). • Etc...

6. Parâmetros de Qualidade de Serviço • Parâmetros de Qualidade de Serviço: • Vazão • Atraso de Trânsito • Variação do Atraso de Trânsito (jitter) • Taxa de Erro • Disponibilidade

7. Aplicações Quesitos Dados Dados Gráficos Voz Voz Interativa Vídeo Vídeo Interativo Vazão/Banda PE E E E ME ME Atraso PE PE E ME E ME Variação do Atraso PE PE ME ME ME ME Taxa de Erro E ME PE PE E/(PE) ME/(E) As Aplicações e a Qualidade de Serviço • As aplicações variam em suas exigências sobre os parâmetros de QoS. • As redes convergentes precisam acomodar e integrar todas essas exigências. PE: Pouco Exigente; E: Exigente; ME: Muito Exigente.

8. Técnicas de Comutação REDE = COMPARTILHAMENTO De meios físicos (Técnicas de Multiplexação) De estruturas de equipamentos (Técnicas de Comutação) • De Circuitos • De Pacotes • De Células • Em frequência. • No tempo As diversas tecnologias existentes combinam tais técnicas fornecendo diversos resultados de qualidade de serviço.

9. Técnicas de Comutação e QoS Técnicas e Tecnologias: Características Vantagens ou Desvantagens?? • Comutação de Circuitos • Baixo Jitter • Sem congestionamento • Capacidade fixa • Desperdício de Banda • Menor disponibilidade média • Menor “overhead” • Comutação de Pacotes/Frames • Jitter • Suporta tráfego burst • Tráfego agregado estatisticamente • Sem alocação fixa de recursos • Perda de pacotes • Rotas alternativas (eng. de tráfego) • Comutação de Células • Baixo “overhead” de processamento • Alto “overhead” de cabeçalho • Alocação dinâmica de banda • Suporta vários tipos de serviço

10. 2Conceitos Básicos

11. Mecanismos para Controle de Qualidade de Serviço • Reserva de banda através de sinalização e controle de buffers. • Priorização de dados de acordo com a categoria do serviço associada ao canal lógico: • Exemplo: • Se o canal é rt-VBR é prioritário em relação a um canal nrt-VBR. • Implementação de mecanismos de sincronização e priorização para aplicações sensíveis a atraso de trânsito. • Mecanismos de detecção e recuperação de erros.

12. Atraso Variação de atraso Banda Confiabilidade Priorização de dados de acordo com a categoria do canal: rt-VBR > nrt-VBR Mecanismos de Sincronização: Ex: time stamp. Reserva de banda através de sinalização. Detecção e correção de erros. Controle de Qualidade de Serviço

13. Objetivo do Controle de Qualidade de Serviço IMPLEMENTAR SERVIÇOS COM QoS ESPECÍFICO PARA CADA TIPO OU CLASSE, INDEPENDENTEMENTE DO QUE ACONTECE COM OS OUTROS TRÁFEGOS OU SERVIÇOS.

14. Fila 1 Fila n Fila 2 Pacote Pacote Pacote Pacote Componentes de Uma Estrutura de QoS Roteamento Enfileramento Escalonamento Classificação Rótulos Priorização Tipos de Tráfego Serviços Aplicações Gerenciamento de Fila Traffic shapping Priorização Policiamento Marcações Descarte

15. Componentes de Uma Estrutura de QoS Rot Class Queue Sched Rot Queue Sched Rot Queue Sched Rot Queue Sched Per-Hop Behavior PHB PHB PHB PHB Edge-to-edge QoS Core Router Core Router Edge Router Edge Router

16. Conceitos da Estrutura de QoS Sinalização: Troca de informações entre elementos de rede para configurar um certo serviço edge-to-edge. Modelos Edge-to-edge de QoS: Soluções que especificam o número suficiente de características para a construção de redes com QoS. Normalmente especificam: • Modelo de Rede • Modelo de Serviço • Sinalização e Controle de Admissão • Tipos de tráfego

17. QoS e Tecnologias de Rede • Tecnologias de alta velocidade que já suportam alguma integração e convergência de aplicações: Frame Relay. • Tecnologias que suportam controle de QoS nativamente: ATM. • Tecnologia IP com: • IntServ: Integrated Services • RSVP: Reservation Protocol (sinalização), • Diffserv: Differentiated Services • Padrões IEEE 802.1 Q/p • MPLS: Multi Protocol Label Switching • RTP, RTCP (Real Time Protocol, Real Time Control Protocol).

18. Redes IP: Tecnologias para QoS (1) • Modelos de QoS edge-to-edge • IntServ (Integrated Services): define procedimentos para classificação sofisticada e diversificada de serviços para o IP e mecanismos de reserva de banda. Utiliza o RSVP como protocolo de sinalização. • Diffserv (Differentiated Services): define um sub-conjunto de classes de serviços para o IP do IntServ e mecanismos de reserva de banda.

19. Redes IP: Tecnologias para QoS (2) • Controle de Circuito Virtual Sobre Redes IP • MPLS (MultiProtocol Label Switching): emprega a técnica de tag switching para aumentar velocidade de chaveamento e roteamento, reduzindo o atraso de trânsito e o jitter. Torna mais fácil a implementação de prioridade de tráfego com requisitos críticos de tempo. • Protocolo de Sinalização: • RSVP (Resource Reservation Protocol): requisita a reserva de recursos e preparação dos roteadores para garantir QoS;

20. 3Arquiteturas Completas e Tecnologias

21. 3.1Arquitetura IntServ

22. Integrated Services (IntServ): Histórico • Desenvolvido no início da década de 90; • Foi o primeiro esforço de especificação de uma arquitetura de controle de QoS; • Foram organizados 3 grupos de trabalho: • INTSERV: Arquitetura Geral Modelos de Serviço Especificação de Fluxos Framework para os demais trabalhos e componentes • ISSLL (Integrated Services over Specific Link Layers): IntServ sobre tecnologias específicas (Ethernet, ATM, etc); • RSVP: Alocação de recursos na rede.

23. IntServ: Visão Geral • Controla o que se chama de Fluxo IntServ: conjunto identificável e classificável de pacotes de uma fonte em direção a um ou mais destinos com tratamento comum de QoS requisitado. • O IntServ identifica e classifica fluxos através da quíntupla [IP fonte, IP destino, ID protocolo(IP), Port fonte, Port destino]; • Controla de maneira dinâmica e contínua os recursos alocados através do protocolo RSVP.

24. IntServ: Modelo de Referência Agente de Roteamento c/ QoS Controle de Admissão Agente de Estabelecimento De Reserva Tabela de Reserva de Recursos Plano de Controle Identificação de Fluxo Escalonador de Pacotes Plano de Dados

25. IntServ: RoteamentoAções nos Principais Componentes • Aplicação caracteriza seu fluxo e especifica requisitos de QoS; • Requisitos de QoS são enviados à rede; • Roteador interage com módulo de Roteamento e determina próximo passo; • Interage com Controle de Admissão para determinar se há recursos suficientes; • Reserva de fluxo é configurado na Tabela de Alocação de Recursos; • Informações da Tabela são usadas para configurar o identificador de fluxo e o escalonador de pacotes; • Roteador passa a chavear pacotes com essas informações: identifica fluxo, coloca na fila correta e o escalonador trata as filas de acordo com as alocações de recurso configuradas. APLICAÇÃO PLANO DE CONTROLE PLANO DE DADOS

26. RSVP • RSVP: Resource Reservation Protocol; • Responsável pelos procedimentos de reserva de recursos (sinalização) e controle de admissão na arquitetura IntServ; • São implementadas três funções: • Negociação: verifica se a rede (NE por NE) pode comprometer-se com esse novo fluxo que está entrando; • Configuração: quando a rede configura os NEs ao longo do caminho para suportar o tráfego negociado; • Policiamento: controle permanente sobre o usuário e sobre os recursos da rede para manter o que foi negociado.

27. RSVP – Modelo Básico • Duas principais mensagens: • PATH (Path establishment) • RESV (Reservation) Host B Host C Host A PATH RESV

28. RSVP: Propósitos das Mensagens • As mensagens PATH e RESV possuem vários propósitos: • PATH: • Distribui informações sobre a fonte de tráfego para os receptores; • Repassa para a rede as características do caminho; • Instala o estado necessário para a RESV encontrar a fonte. • RESV: • É utilizado pelo receptor para requisitar a reserva de recursos; • Especifica os recursos requisitados pelo receptor; • Estabelece o estado de reserva nos elementos de rede.

29. 3.2Arquitetura DiffServ

30. Problemas do IntServ • Complexidade dos mecanismos de classificação; • Grande quantidade de fluxos exige muito processamento nos roteadores; • Procedimentos de controle e manutenção do RSVP geram muito overhead na rede.

31. Differentiated Services (DiffServ) • DiffServ define um conjunto reduzido de fluxos (classes de tráfego) e define mecanismos sobre esses fluxos; • Serviços edge-to-edge construídos a partir de um sub-conjunto restrito de comportamentos nos roteadores do núcleo; • Objetivo é obter roteadores mais rápidos no núcleo; • Menos informações para tratar, menos processos e armazenamento; • Núcleo da rede trabalha sobre conjunto restrito de classes pré configuradas (não há protocolo de sinalização).

32. Fila 2 Fila n Fila 1 Pacote Pacote Queuing Scheduling DiffServ – Visão Geral Edge Edge Edge Roteador Edge: Classificação Multicampo, Policing, Marking ToS /DS Tipo Prot. End. Fonte End. Destino Portas Font/Dest Core Core Roteador Core:Classificação DS, Policing, Marking, Queuing, Scheduling DS 0 1 2 3 4 5 6 7 DSCP: Differentiated Services Code-Point

33. DiffServ: Terminologia e Conceitos • DiffServ especifica comportamento per-hop (PHB – Per-Hop Behavior); • Provedores combinam PHBs para implementar serviços edge-to-edge; • Uma rede com suas regras de mapeamento e mecanismos DiffServ constituem um Domínio DiffServ; • Um conjunto de Domínios DS é uma Região DS. É responsabilidade do operador/administrador garantir que o serviço end-to-end esteja de acordo com o previsto,

34. DiffServ: PHB e Codepoints • PHB: enfileiramento, gerenciamento de fila e policing; • Permite certa liberdade na escolha de algoritmos para implementar o comportamento; • PHBs são indicados por valores específicos no DSCP; • Grupos de PHBs podem ter vários códigos de DSCP; • RFC 2474 é um “guia” para alocação de DSCPs: POOL DSCP Descrição 1 XXXXX0 Definido pelo IANA – Padrões DiffServ 2 XXXX11 Experimental / Local 3 XXXX01 Experimental / Local / IANA

35. Definições de DSCP (1) • PHB Default: Padrão de comportamento antigo “Best efort”, código 000000: • Reencaminhamento sem nenhum tipo de tratamento; • Enviados o quanto antes; • As outras classes tem maior prioridade mas deve ser alocado um mínimo de banda. • Class Selector: Compatibilidade com os comportamentos antigos do ToS do IPv4: DSCP = XXX000: • Ex: os códigos 110 e 111 são usados para tráfego de roteamento;

36. Definições de DSCP (2) • Expedited Forwarding (EF PHB) (RFC 2598): reencaminhamento imediato – usado para serviços de baixo atraso e jitter; • Assured Forwarding (AF PHB) (RFC 2597): grupo para serviços edge-to-edge especificados em termos de largura de banda;

37. 3.3MPLS: Multiprotocol Label Switching

38. MPLS (MultiProtocol Label Switching) • Label Based Switching. • Cria um circuito virtual através de um rótulo (Label) que substitui internamente as informações de nível 3. • Torna mais rápido o processo de chaveamento; • Separa roteamento de chaveamento; • Permite implementação de Engenharia de Tráfego, controle de QoS e VPNs. • MPLS - Multiprotocol Label Switching • Cria rotas por classe de equivalência de reencaminhamento. • Classes identificadas por rótulos mais simples. • Se pacote não se enquadra em nenhuma classe é roteado de maneira convencional

39. Histórico: Solução Desejada • Manter a flexibilidade do roteamento baseado no endereçamento IP; • Aumentar a velocidade do re-encaminhamento; • Fornecer gerenciamento de tráfego e suporte a QoS para a rede IP. Protocolo de Roteamento Informações sobre rotas Informações sobre rotas Tabela de Roteamento Controle Encaminhamento Processamento do pacote Pacote entrando Pacote saindo

40. Arquitetura LSP1 LSRA LSRC LSRB LSP3 LSP2 LSRD LSR - Label Switched Router: Roteador que implementa MPLS; LSP - Label Switched Path: Circuito Virtual sobre a rede IP.

41. Operação da Rede MPLS: Visão Geral 1b. Protocolo de distribuição de label determina o mapeamento entre o label e a rede de destino 1a. Protocolos de roteamento existentes (e.g. OSPF, IS-IS) estabelecem a alcançabilidade da rede de destino 4. LSR de Egresso remove o label e entrega o pacote 2. LSR de Ingresso recebe o pacote, realiza uma busca na tabela de labels e insere um label no pacote. 3. LSRs encaminham os pacotes usando label swapping

42. Rede Operando com MPLS Os pacotes “exporádicos são roteados normalmente. Label Switching Routers Um fluxo repetitivo Recebe um Label e é chaveado como um Circuito virtual

43. Suporte a Controle de Qos em Redes MPLS Suporte a QoS: MPLS+DiffServ Mapeamento de DiffServ na rede MPLS: • E-LSPs: • classe de agendamento do PHB mapeado no campo EXP • suporta até 8 DSCPs • L-LSPs: • classe de agendamento mapeada no valor do LSP • campo EXP pode carregar a prioridade de descarte • LSP Híbrido • L-LSP implementando EF e E-LSP implementando AF e BE

44. MPLS e QoS • Pode-se dizer que o MPLS com o QoS permite criar dutos na rede relativos a diferentes classes de serviço: Fluxo de Dados LSR A LSR B LSR E Servidor de Arquivos LSR C LSR D Fluxo de Vídeo Servidor de Vídeo LSR - Label Switching Router

45. 3.4Controle de QoS no IPv6

46. IPv6 • Motivação Inicial: espaço de endereçamento esgotado por volta de 2008; • Motivações adicionais posteriores: • Melhorar o formato do header para permitir maior velocidade de processamento e de transmissão; • Mudanças no header para incorporar mecanismos de controle de QoS; • Novo tipo de endereço: “anycast” - permite enviar uma mensagem para o melhor dentre vários servidores replicados;

47. Cabeçalho IPv6 0 15 16 31 Version 4 bits Priority, 8 bits Flow Label, 20 bits Payload Lenght, 16 bits Next Header 8 bits Hop Limit 8 bits Source Address, 128 bits cabeçalho 20 bytes Destination Address, 128 bits dados

48. IPv6: Algumas Características • Cabeçalho fixo de 40 bytes; • Não é permitida fragmentação; • Checksum removido para reduzir tempo de processamento; • Options são permitidas, mas são alocadas em cabeçalhos complementares, apontados pelo “Next Header”; • ICMPv6: nova versão de ICMP com novas mensagens e funções de administração de grupos multicast; • Priority: permite definir prioridades diferentes em cada fluxo de informação; • Flow Label: identifica datagramas do mesmo fluxo. O conceito de fluxo não é bem definido; • Next Header: identifica o protocolo da camada superior ou header adicional.

49. 4Exemplo: Rede SADIA

50. Rede SADIA: Visão Geral • Matriz em São Paulo e outras 41 localidades remotas, distribuídas em várias localidades no território Brasileiro; • Integração: a rede deveria integrar os serviços de dados em IP, dados em X.25 e voz; • Para os serviços de voz optou-se pela tecnologia de VoIP, pela flexibilidade em termos de implementação sobre diferentes infra-estruturas de rede em nível de enlace, assim como a possibilidade de integração futura com ambiente de desktop; • Qualidade de Serviço: necessidade de classificação de tráfegos, pois alguns, apesar de serem de dados, necessitavam de QoS, por serem muito importantes, tais como Lotus Notes, transações de cartões de crédito.