QoS. (Quality of Service) Sanmia Shunn de Oliveira Jesus Costa.

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1 29 QoS (Quality of Service) Sanmia Shunn de Oliveira Jesus Costa Professora da FMB RESUMO. Este artigo é baseado em estudos sobre a Qualidade de Serviço (QoS) em redes de computadores, que como próprio nome diz, tem a função de prover confiabilidade no tráfego e na entrega de dados, conforme a necessidade de cada aplicação, nas redes de transmissão de dados. Palavras-chave: dados, qualidade service ABSTRACT. This article is based on studies about the Quality of Service (QoS) in computer networks, that as own name says, it has the function of providing reliability in the traffic and in the data delivery, according to the need of each application, in the transmission networks. Keywords: networks, quality service 1. INTRODUÇÃO Com o avanço das redes de comunicação (LAN s, WAN s, WLAN s, Internet, etc.), o número de usuários tem se multiplicado a cada dia, o mesmo ocorrendo com os aplicativos. Junto a este crescimento vem á necessidade de transmissões mais rápidas e confiáveis, que garantam a satisfação deste cliente/aplicativos, estes que estão cada vez mais exigentes. Contudo, não basta apenas aumentar a banda e a velocidade das transmissões, tem de haver a garantia de entrega e recebimento dos pacotes que trafegam na rede, e ainda num tempo compatível com as exigências de cada aplicação. As aplicações em tempo real requerem garantias rigorosas de que chegarão a tempo ao seu destino, anulando a retransmissão e descarte de pacotes, garantias estas que devem ser dadas pela rede em que trafegam. Já aplicações que não são de tempo real, que são menos rigorosas, podem dispor de um tempo ligeiramente maior para entrega fim-afim, podendo assim haver retransmissões e descartes de pacotes. Logo há redes que têm de prestar um tratamento diferenciado para cada tipo de aplicação. Então diz-se que estas redes, que podem fornecer esse níveis de serviços diferenciados, suportam Qualidade de Serviço (QoS Quality of Service).

2 30 Nos tópicos a seguir, serão abordados os conceitos, modelos, métodos e exemplos de redes que utilizam QoS, no tratamento dos pacotes, que nestas trafegam. 2. CONCEITOS Com o crescimento de aplicações de multimídia (voz, vídeo e dados), tornou-se necessário, além de técnicas de redução de congestionamento, o fornecimento por parte das redes, de parâmetros de desempenho com uma determinada qualidade, que permitirá assim uma comunicação fim-a-fim confiável, ou ainda a inviabilidade de sua utilização. A QoS busca atender às expectativas do usuário em termos do tempo de resposta e da qualidade, muitas vezes subjetiva, do serviço que está sendo provido, ou seja, fidelidade adequada do som e/ou da imagem sem ruídos nem congelamentos, neste caso em aplicações real time. A qualidade de serviço da rede depende das necessidades da aplicação, ou seja, do que ela requisita da rede a fim de que funcione bem e atenda, por sua vez, às necessidades do usuário. Estes requisitos são traduzidos em parâmetros indicadores do desempenho da rede como, por exemplo, o atraso máximo sofrido pelo tráfego da aplicação entre o computador origem e destino. Podemos definir QoS como um conjunto de características quantitativas ou qualitativas. Estas características são chamadas de parâmetros de especificação da QoS. O conceito de Qualidade de Serviço serve para mensurar a qualidade dos serviços oferecidos por uma rede de comunicações, ou seja, refletir o quanto ela é capaz de atender às expectativas de seus usuários através dos serviços que oferece. Esse conceito, inicialmente focado na rede, evoluiu para uma noção mais ampla, contemplando as múltiplas camadas da interação usuário-sistema. A QoS envolve aspectos relacionados à própria percepção do usuário, aos requisitos das aplicações e aos recursos disponíveis no sistema, seja no equipamento do usuário ou na rede em si. QoS tem relação ainda com questões organizacionais e administrativas, como segurança, privacidade, contabilidade, política de preços dos serviços, estabelecimento e monitoração de contratos de serviços e grau de disponibilidade da rede (em termos de tempo médio entre falhas e tempo médio de reparo). Qualidade de serviço representa não uma síndrome de Tio Patinhas, disposto a reduzir e retirar banda de aplicações menos importantes, mas sim conhecer e reconhecer o que é mais importante para trafegar primeiro pela rede e explorar bem os recursos de momento. Cláudio Ferreira QoS é o termo utilizado para identificar as diversas alternativas técnicas que permitem especializar as redes, garantindo que aplicações diferentes recebam tratamento diferente, ou seja, transmissões que exigem maior qualidade da rede, recebem maior prioridade.

3 31 Devido ao nosso cenário hoje com a convergência das redes, temos uma rede mais abrangente que no inicio, novos serviços exigindo diferentes níveis de QoS, confiabilidade e garantias de serviço. Isto está acontecendo devido ao crescimento veloz e contínuo de aplicações de tempo real requerem mecanismos eficazes e capazes para prover QoS. Devido a isto a exigência hoje é que as aplicações tenha um funcionamento correto, mesmo em situações de congestionamento. Sendo para aplicações multimídia essencial QoS é a maioria das aplicações hoje são multimídia, com requisitos de tempo e sincronização para sua operação com qualidade são exigidos garantias de QoS. A evolução das tecnologias gerou necessidades de mais recursos(mais largura de banda e restrições de atraso), sendo que classes de serviços diferentes podem possuir necessidade de recursos e prioridade diferentes de antes, quando todos os pacotes eram tratados com igualdade. Na recomendação E.800(ITU-T), QoS é definida como efeito do desempenho de um serviço, o qual determina o grau de satisfação de um usuário deste serviço. QoS pode ser definida como um requisito da aplicação para a qual exige-se que determinados parâmetros(atrasos, vazão, perda entre outros) estejam dentro de limites máximos e mínimos bem definidos. Parâmetros de QoS A vazão é a quantidade efetiva da informação transmitida pela fonte que chega ao destino. A vazão é definida como sendo os requisitos de largura de banda exigidos por uma aplicação. Latência ou atraso: tempo decorrido desde a geração de uma mensagem pelo emissor na extremidade de uma conexão até seu recebimento pelo receptor na outra extremidade. É o somatório dos atrasos impostos pela rede e equipamentos utilizados na comunicação. Latência tempo usado para equipamentos Atraso mais usado para transmissão de dados Ou seja, latência ou atraso é o tempo que o pacote perde percorrendo a rede, e que pode ser influenciado por atraso de propagação, velocidade de transmissão e processamento nos equipamentos. Jitter(ou variação de atraso) é a variação no tempo e na seqüência da entrega das informações devido à variação no atraso da rede. O jitter é importante para as aplicações cuja operação adequada depende de alguma forma da garantia de que as informações devem ser processadas em períodos de tempo bem definidos. Perdas: nas redes IP, ocorrem principalmente em função do descarte de pacotes nos roteadores e switches em situações de congestionamento. Perdas ocorrem também devido a erro durante o transporte dos pacotes. De acordo com as necessidade do cenário atual surgiram alternativas técnicas para implementação de QoS em redes IP: IntServ, DiffServ e MPLS.

4 32 3. REQUISITOS Em redes orientadas a conexão, os pacotes que pertencem a um fluxo (transporte da origem ao destino) seguem uma rota comum, já em redes sem conexão, eles podem seguir por rotas diferentes. Há parâmetros que caracterizam as necessidades de cada fluxo, estes estão normalmente relacionados à capacidade de transmissão de dados, ao tempo consumido nas transmissões e à confiabilidade. Os parâmetros comumente empregados são confiabilidade, retardo, flutuação e largura de banda, mas há ainda a vazão, jitter e a taxa de erros. Os pacotes podem ser perdidos na rede por descarte nas filas dos nós intermediários, ou podem ser corrompidos por colisão com outros pacotes em enlaces compartilhados e ainda por variações no meio físico (tendo, nesse caso, relação com a taxa de erros de bits). As necessidades relativas a QoS variam de acordo com a natureza da aplicação. Aplicação Confiabilidade Retardo Flutuação Larg. de Banda Correio eletrônico Alta Baixa Baixa Baixa Transf. de Arquivos Alta Baixa Baixa Média Acesso a Web Alta Média Baixa Média Login remoto Alta Média Média Baixa Áudio por demanda Baixa Baixa Alta Média Video por demanda Baixa Baixa Alta Alta Telefonia Baixa Alta Alta Baixa Videoconferência Baixa Alta Alta Alta Tab. 1 Rigidez dos requisitos de QoS As aplicações de tempo real requerem que os dados sejam transmitidos em um determinado espaço máximo de tempo, para assim serem considerados úteis, suportam pequenos erros e perdas. Já as aplicações que não são em tempo real, também chamadas de elásticas, suportam uma determinada variação no atraso de uma transmissão, porem são muito sensíveis a erros e perdas. Em redes ATM, a classificação dos fluxos é feita em quatro categorias, em relação à demanda de QoS. Taxa de bits constante (Voip Voz sobre IP); Taxa de bits variável em tempo real (Videoconferência compactada);

5 33 4. TÉCNICAS Taxa de bits variável de tempo não real (Arquivos de áudio e vídeo); Taxa de bits disponíveis (FTP File Transfer Protocol). Qual a técnica ideal para prover QoS a uma rede? Existem diversas técnicas que podem ser utilizadas, dependendo das necessidades da rede, mas o que se encontra na vida real, em sua grande maioria, é a utilização de combinações de duas ou mais técnicas. Isto porque nenhuma técnica, sozinha, pode oferecer qualidade e segurança de forma ideal. Superdimensionamento Uma forma fácil de obter Qos, porém muito cara, onde se disponibiliza recursos muito além do necessário, como largura de banda, espaço em buffers e capacidade nos roteadores. Armazenamento em Buffers Método que através de buffers no receptor, oferece uma melhora na flutuação, diminuindo-a sensivelmente, sem afetar a confiabilidade e a largura de banda, embora haja um aumento no retardo. Moldagem de tráfego (Traffic Shaping) Método que regula a taxa média de transmissão de dados, semelhante ao armazenamento em buffers, porém no lado do transmissor. Este método ajuda a diminuir o congestionamento na rede, utilizando uma velocidade uniforme na transmissão. Algoritmo de balde furado (Leaky Bucket) Tipo de fila representada como se fosse um balde com um furo no fundo. A fila em si é o volume do balde. Independente de como cheguem dados na fila, com ou sem rajadas, a saída é sempre uniforme em vazão e latência, com jitter zero. Algoritmo de balde de símbolos (Token Bucket) Semelhante ao leaky bucket, porem com a inserção de tokens a cada tempo t. Este método possibilita a transmissão de dados em rajadas. Reserva de recursos Através de uma rota pré-definida, reservam-se recursos, como banda, buffer e processamento, a fim de garantir a transmissão de determinado trafego de dados. Controle de admissão Método que decide, com base na capacidade da rede, se um fluxo é admitido ou rejeitado, assim sendo transmitido ou descartado. Roteamento proporcional Processo que divide o tráfego por diversos caminhos diferentes. Programação de pacotes Evita que, em redes com diversos fluxos, um destes obtenha recursos exagerados e deixe os demais sem condições de trafego (enfileiramento justo). Porém há outro método semelhante, mas que da prioridade a alguns fluxos, mas sem que os demais sejam esquecidos (enfileiramento justo ponderado).

6 34 5. CONGESTIONAMENTO O congestionamento se dá quando existem muitos pacotes disputando recursos limitados, como banda, processamento e armazenamento, isto acarreta em um overflow na fila, onde pode haver o descarte de pacotes. Este acontecimento requer que a rede tenha um mecanismo de detecção e controle de congestionamento. O melhor é que não haja congestionamentos e nem o descarte de pacotes, pois os mesmo geram retransmissão, atraso e até aumento do próprio congestionamento. O controle de congestionamento pode ser dividido em dois grupos, open loop (OL) e closed loop (CL). O OL parte do projeto das redes, onde as decisões de descarte e aceite de fluxos são feitos sem considerar o estado atual da rede e ele atua nas extremidades da rede (origem ou destino). Já o CL atua na rede em funcionamento, obtendo informações de fluxos (feedback), monitorando o sistema para detectar congestionamentos, passa essas informações a pontos onde se possa tomar providencias e ajusta a operação do sistema afim da correção do problema. Algumas das técnicas, citadas abaixo também servem para o controle de congestionamento. Já nos subitens abaixo, serão mostradas algumas técnicas de enfileiramento de pacotes e métodos de detecção de congestionamento. 5.1 FIFO Uma fila FIFO (First-In-First-Out Primeiro a chegar/primeiro a sair) é um mecanismo de armazenamento e repasse que não implementa nenhum tipo de classificação. A ordem de chegada dos pacotes é que determina a alocação da banda, e o que chega primeiro é logo atendido. O problema ocorre em tráfego de rajada, que pode causar longos atrasos em aplicações sensíveis ao tempo. Por isso, filas FIFO não servem para aplicações que requerem QoS. Fig. 1 Fila FIFO

7 35 Quando não há espaço no buffer, os pacotes excedentes são descartados, independentes do seu fluxo. Esse procedimento pode ser chamado de tail drop. 5.2 FQ No algoritmo FQ (Fair Queuing - enfileiramento justo), as mensagens são ordenadas em sessões, e, para cada sessão, é alocado um canal, onde estas filas são atendidas por round-robin, um pacote por fila. No caso de uma sessão lotar seu buffer, os próximos pacotes são descartados, independentes das demais sessões estarem completas. Isto faz com que um fluxo não tenha uma parcela maior do meio, em detrimento dos demais. 5.3 WFQ Fig. 2 Fila FQ O WFQ (Weighted FQ - enfileiramento justo ponderado), é um algoritmo FQ melhorado, onde é possível estabelecer pesos para determinados tipos de fluxo. O algoritmo escalona o tráfego prioritário (interativo) para frente da fila, reduzindo o tempo de resposta. Ao mesmo tempo, compartilha o restante da banda com os outros tipos de fluxo de uma forma justa. O WFQ é dinâmico e se adapta automaticamente às mudanças das condições de tráfego, sendo bastante útil em conexões seriais de baixa velocidade até 2 Mbps.

8 36 Fig. 3 Fila WFQ A priorização dos fluxos de dados pode ser feita de diversas formas: por endereço fonte ou destino, por protocolo, pelo campo de precedência IP, pelo par porta/socket, etc. 5.4 CQ O CQ (Custom Queuing), aloca partes da banda para determinados fluxos e a outra parte e dividida para os demais fluxos. O CQ funciona semelhante ao FQ, porém a cada time do round-robin são liberados os pacotes conforme a proporção alocada inicialmente para cada fluxo. 5.5 PQ O PQ (Priority Queuing - enfileiramento prioritário), é um algoritmo semelhante ao WFQ, porém os níveis mais prioritários têm total preferência em relação aos de menor prioridade. Contudo este tipo de algoritmo deve ser muito bem administrado, pois pode ocorrer de quando houver um grande fluxo de pacotes de alta prioridade, fazer com que os pacotes de baixa prioridade sofram um atraso muito grande ou até mesmo sejam descartados. Este método é apropriado para aplicações real-time. WFQ CQ PQ N de filas até 256 filas 16 filas 4 filas Tipo de serviço Configuração 5.6 Outras técnicas RED Assegura justiça entre todo o tráfico flui baseado em pesos Não requer configuração Round-robin; Distribuição proporcional de banda para classes diferentes de serviço Requer configuração Tab. 2 Quadro de comparação de enfileiramento de roteadores Cisco. Fluxo de maior prioridade primeiro; Priorização absoluta; assegura tráfico crítico de prioridade mais alta Requer configuração A política Random Early Detection é a mais popular das políticas propostas para o gerenciamento ativo de filas até então e vem sendo cogitada a sua adoção na Internet. A política RED tem como objetivo manter um limite máximo do tamanho médio da fila.um dos maiores problemas com RED é a determinação dos valores ideais de seus parâmetros. Tal dificuldade vem propiciando a definição de novas políticas, tais como ARED, FRED.

9 37 No entanto, esta políticas são baseadas em heurística. Assim sendo, vem-se utilizando a Teoria do Controle para estudar o gerenciamento ativo de filas. Hollot et. al estudaram RED, sob o ponto de vista de sistemas de controle linear, ou seja, um sistema não-linear que descreve uma fila RED com fluxo de entrada TCP foi linearizado, e as regiões de definição dos parâmetros foi analisada. Resultados indicam a deficiência de RED de estabilizar o tamanho da fila em um curto período de tempo. Hollot et. al propuseram o controlador Proportional-Integral que estabiliza a fila de forma mais robusta e rápida que RED. Krusela et. al. argumentam que a linearização do sistema leva a modelagem incompleta da retro-alimentação da fila RED e derivam condições de estabilidade utilizando equações diferenciais funcionais. J. Aweya et. al também propuseram o controle de RED através de controladores Proportional-Integral-Derivative, que são controladores eficiente e simples. Nesta tarefa estudou-se a região ótima dos parâmetros de RED através da Teoria do Controle Ótimo, bem como comparou-se a estabilidade e efetividade das diversas variações de RED. Propôs-se controladores H2 e Hinf para RED, estudar a estabilidade de filas com estes controladores através de simulação com cenários de redes TCP/IP (simulador ns). A detecção RED - Random Early Detection (detecção randômica antecipada ) é um mecanismo para prevenção e inibição de congestionamento ou congestion avoidance. O algoritmo monitora o tráfego antecipadamente utilizando as funções de controle de congestionamento TCP, descartando pacotes aleatoriamente e indicando para a fonte reduzir a taxa de de transmissão, evitando assim situações de congestionamento antes que ocorra picos de tráfego. Quando habilitado numa interface, o RED começa a descartar pacotes a uma taxa que pode ser previamente configurada. WRED, ou Weighted RED, é uma implementação da Cisco que combina as funcionalidades do RED com a classificação de pacotes por precedência IP. Baseado nessa classificação, o WRED descarta pacotes seletivamente, descartando inicialmente os pacotes de menor prioridade, com diferentes pesos para cada classe. ROUND ROBIN Round-Robin é um dos mais antigos e simples algoritmos de escalonamento. É largamento usado, e foi projetado especialmente para sistemas time-sharing. A idéia do algoritmo é a seguinte. Uma pequena unidade de tempo, denominada timeslice ou quantum, é definida. Todos os processos são armazenados em uma fila circular. O escalonador da CPU percorre a fila, alocando a CPU para cada processo durante um quantum. Mais precisamente, o escalonador retira o primeiro processo da fila e procede à sua execução. Se o processo não termina após um quantum, ocorre uma preempção, e o processo é inserido no fim da fila. Se o processo termina antes de um quantum, a CPU é liberada para a execução de novos processos. Em ambos os casos, após a liberação da CPU, um novo processo é escolhido na fila. Novos processos são inseridos no fim da fila. Quando um processo é retirado da fila para a CPU, ocorre uma troca de contexto, o que resulta em um tempo adicional na execução do processo. Uma fila circular(round ROBIN) encaminha alternadamente pacotes de várias filas, geralmente associadas a classes de serviços.

10 38 PRR PRR(Round-robin com prioridades), um mecanismo com uma fila prioritária(prr) fornece o comportamento desejado, pois torna-se especialmente importante o condicionamento de tráfego nas fronteiras do domínio DS. O algoritmo round robin assume que todos os processos são igualmente importantes. Freqüentemente, as pessoas que possuem e operam centros de computação possuem um pensamento diferente sobre este assunto. Em uma Universidade, por exemplo, as prioridades de processamento normalmente são para a administração em primeiro lugar, seguida de professores, secretárias e finalmente estudantes. A necessidade de se levar em conta fatores externos nos leva ao escalonamento com prioridades. A idéia básica é direta: cada processo possui uma prioridade associada, e o processo pronto para executar com a maior prioridade é quem ganha o processador. Para evitar que processos com alta prioridade executem indefinidamente, o escalonador pode decrementar a prioridade do processo atualmente executando a cada tick de relógio (isto é, a cada interrupção de relógio). Se esta ação fizer com que a prioridade do processo se torne menor do que a prioridade do processo que possuía a segunda mais alta prioridade, então uma troca de processos ocorre. Prioridades podem ser associadas a processos estaticamente ou dinamicamente. Em um computador militar, por exemplo, processos iniciados por generais deveriam começar com a prioridade 100, processos de coronéis com 90, de majores com 80, de capitães com 70, de tenentes com 60, e assim por diante. Prioridades podem também ser atribuídas dinamicamente pelo sistema para atingir certos objetivos do sistema. Por exemplo, alguns processos são altamente limitados por E/S, e passam a maior parte do tempo esperando por operações de E/S. Sempre que um desses processos quiser a CPU, ele deve obtê-la imediatamente, para que possa iniciar sua próxima requisição de E/S, e deixá-la sendo feita em paralelo com outro processo realmente processando. Fazer com que processos limitados por E/S esperem um bom tempo pela CPU significa deixá-los um tempo demasiado ocupando memória. Um algoritmo simples para prover um bom serviço a um processo limitado por E/S é ajustar a sua prioridade para 1/f, onde f é a fração do último quantum de processador que o processo utilizou. Um processo que utilizou somente 2 ms do seu quantum de 100 ms ganharia uma prioridade 50, enquanto um processo que executou durante 50 ms antes de bloquear ganharia prioridade 2, e um processo que utilizou todo o quantum ganharia uma prioridade 1. É freqüentemente conveniente agrupar processos em classes de prioridade e utilizar escalonamento com prioridades entre as classes, mas round robin dentro de cada classe. Por exemplo, em um sistema com quatro classes de prioridade, o escalonador executa os processos na classe 4 segundo a política round robin até que não haja mais processos na classe 4. Então ele passa a executar os processos de classe 3 também segundo a política round robin, enquanto houverem processos nesta classe. Então executa processos da classe 2 e assim por diante. Se as prioridades não forem ajustadas de tempos em tempos, os processos nas classes de prioridades mais baixas podem sofrer o fenômeno que chamamos starvation (o processo nunca recebe o processador, pois sua vez nunca chega).

11 39 WRR WRR(Round-robin ponderado), serve as ligações proporcionalmente aos pesos atribuídos. Caso 1: Pesos diferentes e pacotes com comprimento fixo; é servido mais do que um pacote por fila e por ciclo, após normalização para obter pesos inteiros. Caso 2: Pesos diferentes e pacotes com comprimento variável; os pesos são normalizados pelo tamanho médio dos pacotes. O algoritmo WRR pressupõe o conhecimento do tamanho médio dos pacotes gerados por cada fonte, o que em muitos casos é imprevisível e impede uma distribuição de recursos de acordo com o critério Max-min fairness. O algoritmo é justo apenas em escalas temporais superiores a duração de um ciclo, podendo ser injusto durante ciclos longos para ligações com pequeno peso ou quando existe um número elevado de ligações. 6. MODELOS O que foi visto até o momento, foram formas de controle de banda e congestionamento em filas de dispositivos de redes, porém agora serão apresentadas algumas formas de implementação de QoS, propriamente dita. "O importante é definir que o projeto QoS seja analisado de ponta a ponta para não comprometer os resultados." 6.1 Melhor Esforço Também conhecido por Best-effort Service ou Lack of QoS, este na verdade não é um modelo de implementação de QoS, mas sim um modelo sem QoS, onde os aplicativos se adaptam a rede, modelo este utilizado pela Internet. Neste, os pacotes são tratados sem distinção alguma, sem prioridade, sem garantia de tempo de entrega e até mesmo garantia de entrega ao destino, independente da sua aplicação, porém, sendo feito o máximo de esforço para a entrega destes. Assim todos os pacotes são aceitos, não havendo congestionamento eles são encaminhados ao destino, caso contrário são descartados. 7. SERVIÇOS INTEGRADOS Este modelo, conhecido por IntServ (Integrated Services), refere-se a diversos trabalhos feitos pela IETF (Internet Engineering Task Force), que gerou diversas RFCs (Request For Coments), com o intuito de criar uma arquitetura que desse suporte a aplicações de multimídia.

12 40 O termo serviços integrados é empregado para designar um modelo de serviços para a Internet que inclui o serviço de melhor esforço, serviços de tempo real e serviços de compartilhamento controlado de enlace. IntServ baseia-se em reserva de recursos (largura de banda, atraso e jitter), antes do estabelecimento da comunicação. Este serviço utiliza o protocolo de sinalização RSVP (Resourse reservation Protocol), que antes de iniciar uma comunicação, faz com que o emissor solicite ao receptor uma alocação de recursos, necessárias para definir-se uma boa qualidade na transmissão dos dados. Na sinalização RSVP existe troca de mensagens de controle entre emissor e receptor de forma que num determinado período de tempo possamos alocar uma faixa da largura de banda para a transmissão dos dados. Fig. 4 Processo RSVP na rede e no roteador [10] O IntServ é implementado por quatro componentes, o protocolo de sinalização (RSVP), a rotina de controle de admissão, o classificador e o escalonador de pacotes. A função destes componentes é organizar os pacotes de forma que a QoS seja aplicada. No IntServ há dois tipos de serviços, além do melhor esforço: Serviços Garantidos - aplicações que requerem controle de jitter. Serviços de Carga Controlada aplicações que necessitam de segurança e um limite de variação de atraso (jitter), eliminando a idéia de best effort. Porém estes dois tipos de serviços não atendem a todas as aplicações existentes e o IntServ possui como desvantagem a necessidade de toda a arquitetura de rede possuir implementado o RSVP e o fato de a reserva antecipada gerar um tráfego a mais na rede, além dos pacotes das aplicações que nesta rodam.

13 41 Desvantagens do IntServ O serviço integrado não é escalável para a Internet, pois, como os recursos são alocados para cada fluxo de dados, numa rede Internet, com milhões de usuários e com vários fluxos por usuário, seu uso fica limitado, devido a complexidade que insere nos roteadores, ele também aumenta o poder de processamento e memória dos roteadors, com isso o IntServ é recomendado para pequenas redes, ou de pequeno porte. 8. SERVIÇOS DIFERENCIADOS Comumente chamado de DiffServ (Differentiated Services), este tipo de serviço tem como característica a diferenciação dos pacotes, no qual são marcados de acordo com classes de serviços pré-determinadas, onde se destaca por oferecer uma característica indispensável: escalabilidade. Esta que pode ser obtida por meio de agregação de fluxos e da separação das funções dos roteadores (borda e núcleo), em grandes redes de backbone. Redes que implementam DiffServ recebem o nome de Domínios DS. Estes Domínios DS negociam garantias mínimas de QoS, na qual fazem um contrato para a transmissão das aplicações dos usuários. Fig. 5 Exemplo básico de DiffServ Os pacotes que trafegam entre domínios distintos são policiados nos roteadores de borda, que verificam sua conformidade com os contratos. Os roteadores do centro da rede apenas encaminham os pacotes aos seus destinos, oferecendo algumas garantias de QoS a determinados pacotes. Assim, diferentes fluxos podem ser tratados com distinção nos roteadores, que atendem seus requisitos de QoS. Tratamento este que é chamado de PHB (Per-Hop Behavior). Combinando o PHB com as regras de policiamento da borda, se permite a criação de diversos serviços numa rede DiffServ. Atualmente há dois PHBs sendo padronizados pelo IETF: Encaminhamento Expresso (Expedited Forwarding - EF) e Encaminhamento Assegurado (Assured Forwarding - AF). O PHB EF define garantias mais rígidas de QoS para aplicações que são mais sensíveis a variações de tempo na rede, já o PHB AF é

14 42 utilizado por serviços que não necessitam de garantias rígidas, para obter diferenciação (preferência) no tráfego de seus pacotes na rede. O DiffServ, através do uso de mecanismos de classificação, policiamento, condicionamento e escalonamento, classifica os serviços do seguinte modo: Serviços assegurados para os fluxos que necessitam de segurança na ocorrência de congestionamentos e para os que necessitam de uma confiabilidade melhor que no best effort. Serviços premium Para fluxos que necessitam de baixa variação de tempo (delay e jitter). Mesmo possuindo escalabilidade o DiffServ não oferece uma garantia rígida de recursos para todos os fluxos, como no IntServ. Estas reservas são feitas para grandes conjuntos de fluxos, onde um único fluxo pode não atingir a totalidade de suas necessidades de QoS (atraso, largura de banda, etc.). Assim, nestes casos, estas garantias somente são obtidas através do correto provisionamento dos recursos da rede, o que nem sempre é algo fácil. 9. MPLS Na década de 90, a Internet, tornou-se comercial e um fenômeno de crescimento, aumentou o seu trafégo e uma diversidade de aplicações surgiram, exigindo o desenvolvimento de propostas para melhorar o encaminhamento dos pacotes nas redes IP, buscando uma padronização do encaminhamento baseado em comutação IP, o IETF criou o MPLS group. O MPLS Surgiu da necessidade de um modelo padrão de comutação de rótulos, ele veio da necessidade atuais das redes de computadores como velocidade, escalabilidade, gerenciamento de qualidade de serviço(qos) e a necessidade de engenharia de trafégo, ou seja, veio para adicionar capacidades essenciais às redes IP atuais de melhor esforço, surgiu em busca de comutação de pacotes mais eficiente. Sua finalidade e oferecer facilidade de gerenciamento, reserva de banda e requisitos de QoS, ou seja, engenharia de tráfego, fornecer trafégo com Cos, fornecer tráfego com QoS e fornecer IP baseado em VPNs. 9.1 Componentes MPLS LSR (Label Switch Routers) LSRs são os roteadores de comutação por rótulos. Trata-se de equipamentos de comutação (por exemplo: roteadores IP, switches ATM) habilitados para MPLS. Eles devem ter algumas funcionalidades definidas pelo MPLS implementadas. São equipamentos situados no núcleo da rede MPLS, e sua função é encaminhar pacotes baseados apenas no rótulo de cada pacote. Ao receber um pacote, cada LSR troca o rótulo existente por outro, passando o pacote para o próximo roteador e assim por diante. LER (Label Edge Routers) LERs (Roteadores de Rótulos de Borda) são LSRs situados na periferia da rede MPLS. Eles ligam diversas sub-redes (Ethernet, Frame Relay, ATM) à rede MPLS e são

15 43 responsáveis pela designação e retirada de rótulos para o tráfego que entra ou sai da rede MPLS. LSP (Label Switch Path) LSP é o caminho virtual do nó de ingresso até o nó de egresso do domínio MPLS seguido por pacotes com o mesmo rótulo. Unidirecional portanto é preciso ter dois LSPs para uma comunicação entre duas entidades. Um LSP é um caminho através do qual transitarão pacotes de uma mesma classe, que compartilham o mesmo destino. Assim, uma rota deve ser estabelecida inicialmente, isto é feito com protocolos de roteamento convencionais ou roteamento com restrições, então o caminho fica definido e os pacotes pertencentes a ele não precisam mais ser roteados. Eles serão apenas comutados com base nos seus rótulos. Estes rótulos são distribuídos entre LSRs no momento do estabelecimento de LSPs. No LSP dentro de um domínio MPLS um caminho é estabelecido para um dado pacote trafegar baseado em uma FEC; O LSP é estabelecido antes da transmissão dos dados; O roteamento é efetuado de duas maneiras: 1.Roteamento hop-by-hop Cada LSR, independentemente, seleciona o próximo salto para uma determinada FEC ( funciona de maneira similar às redes IP convencionais); O LSR usa qualquer protocolo de roteamento disponível, tal como OSPF, PNNI, etc. 2. Roteamento Explícito (ER) Um LSR é designado (usualmente o LSR de entrada) para especificar a lista de nós através dos quais o ER-LSP atravessa. Os LSRs não são autônomos na escolha do próximo salto Pode ser: Strict (todos LSRs são especificados) Loose (Alguns LSRs são especificados) FEC (Forwarding Equivalency Class) Uma FEC consiste em um conjunto de pacotes que serão encaminhados da mesma maneira em uma rede MPLS. Pacotes de um mesmo fluxo de dados geralmente pertencem à mesma FEC. Requisitos de QoS também podem ser definidos com a designação de FECs. A FEC é representada por um rótulo, e cada LSP é associado a uma FEC. Ao receber um pacote, o LER verifica a qual FEC ele pertence e o encaminha através do LSP correspondente. Portanto há uma associação pacote-rótulo-fec-lsp. A associação pacote- FEC acontece apenas uma vez, quando o pacote entra na rede MPLS. Isto proporciona grande flexibilidade e escalabilidade a este tipo de rede. Label (Rótulo) O rótulo é um identificador curto, de tamanho fixo e significado local, que é usado para identificar uma FEC. O cabeçalho MPLS deve ser posicionado depois de qualquer cabeçalho de camada 2 e antes de um cabeçalho de camada 3. Seu tamanho é definido em 4 octetos. O rótulo associa pacotes às respectivas conexões, é algo semelhante ao VPI/VCI no ATM e DLCI no Frame Relay. No nível mais simples, um rótulo pode ser pensado como nada mais que uma forma abreviada para o cabeçalho do pacote, de forma a indicar ao pacote a decisão de remessa que um roteador faria. Neste contexto, o rótulo é nada mais que uma abreviação para um fluxo agregado de dados de usuário. O formato genérico do rótulo MPLS é: 32 bits: MPLS shim

16 44 20 bits: Label 3 bits: CoS 1 bit: S 8 bits: TTL onde: O shim header, é colocado entre o cabeçalho de enlace e cabeçalho da camada de rede não há espaço no cabeçalho do pacote IP. Label ou Rótulo MPLS: transporta o valor real do rótulo MPLS. CoS: garante que o tráfego mais importante receba a prioridade adequada na rede em situações de congestionamento. Conhecido como EXPðStack (S): empilhamento de rótulos Indica se o rótulo corresponde ou não ao último rótulo de uma pilha de rótulos TTL Time to Live (fornece uma funcionalidade convencional IP-TTL) O rótulo é inserido no roteador de entrada, ou seja, na LER de entrada. LER - equipamento que opera na borda de uma rede MPLS e tem um papel importante na atribuição e remoção de rótulo. A arquitetura MPLS não define um único método de distribuição de rótulos. Os protocolos já existentes, como BGP (Border Gateway Protocol) ou RSVP podem ser estendidos. Pode também ser usado o LDP, definido pelo IETF. RSVP Novos objetos são definidos para as mensagens RSVP que permitem a requisição e resposta de associações rótulo-fec, além de outras mensagens, tais como a desativação de LSPs. LDP define mensagens para criação e supressão de associações rótulo FEC. Estas duas mensagens alteram as associações rótulo-fec nas LIBs dos LSRs desfazendo parcial ou totalmente os LSPs. Label Mapping é usada para distribuir uma associação rótulo_fec contendo a FEC e o rótulo atribuído. Label Request carrega a FEC para a qual se deseja associar um rótulo (LSR ao receber esta mensagem aloca um rótulo para a FEC). Inserção e supressão de rótulos: O primeiro roteador usa a tabela de LIB para encontrar o próximo salto, ou hop, e requer um rótulo para a FEC específica. Os roteadores subsequentes usam o rótulo para encontrar o próximo salto.quando o pacote alcança o LSR de saída do domínio MPLS, seu rótulo é removido e o pacote é entregue ao destino. LDP (Label Distribution Protocol) O LDP é uma especificação que permite a um LSR (Roteador de Comutação de Rótulos) distribuir rótulos. Quando um LSR atribui um rótulo a uma FEC (Classe de Equivalência de Envio), é preciso que ele deixe que seus pares saibam desse rótulo e seu significado. O LDP é usado para este propósito. Já que um conjunto de rótulos do LSR de entrada ao LSR de saída em um domínio MPLS define um caminho de comutação de rótulos (LSP), e já que rótulos são mapeamentos de roteamento da camada de rede para a os caminhos comutados da camada de enlace, o LDP ajuda no estabelecimento de um LSP através do uso de um conjunto de procedimentos para distribuir os rótulos entre os LSR. LSRs utilizam rótulos para encaminhar tráfego. Um passo fundamental para a comutação de rótulos é que LSRs concordem em relação a quais rótulos eles devem usar para encaminhar o tráfego. Eles chegam a este entendimento utilizando o LDP. LDP é uma das partes mais importantes do

17 45 MPLS. Mecanismos similares para troca de rótulos existiram em implementações proprietárias como o IFMP (Ipsilon s Flow Management Protocol), ARIS (AggregateRoute-based IP Switching, da IBM), e o Tag Distribution Protocol da Cisco. LDP e rótulos são a base da comutação de rótulos. O LDP é um protocolo de distribuição de rótulo. Ele: * Mapeia as FECs aos rótulos, os quais, por sua vez, criam os caminhos comutados ou LSP (Label Switching Path) * Ao criar o LSP, o LDP gerencia a distribuição de pacotes entre os LSRs deste LSP. * À medida que o LDP distribui os rótulos para uma dada FEC cria-se uma conexão fim-afim para o envio dos pacotes; * Dois LSRs que se comunicam para a troca de informações são denominados de pares ou parceiros LDPs (LDPs peer). * Sessões LDP são estabelecidas entre os parceiros LDP na rede MPLS (não necessariamente adjacentes). * Os parceiros trocam quatro mensagens LDP: Mensagens de descoberta, Mensagens de Sessão, Mensagens de Anúncio de Rótulo e Mensagens de Notificação; * Mensagens de descoberta (discovery): anunciam e mantém a presença de um LSR numa rede.(hello - UDP) * Mensagens de Sessão (session): estabelecem, mantém e terminam as sessões entre pontos LDPs.(usa o TCP pois o LDP é hard stat e as mensagens precisam ser trocadas de forma confiável) * Mensagens de advertisement: criam, trocam e eliminam associações rótulos-fecs. (TCP) * Mensagens de Notificação (Notification): fornecem informações de erro, diagnósticos e de status. (TCP). O LDP possui as seguintes características básicas: * Oferece um mecanismo de descoberta de LSR para permitir que LSRs encontrem uns aos outros e estabeleçam comunicação; * Define quatro classes de mensagens: DISCOVERY, ADJACENCY,LABEL, ADVERTISEMENT, e NOTIFICATION (mensagens de notificação); * Ele roda sobre TCP para proporcionar fidelidade de mensagens. 9.2 Características do MPLS MPLS (Multiprotocol Label Switching) é um Framework definido pelo IETF (Internet Engineering Task Force) que proporciona designação, encaminhamento e comutação eficientes de fluxos de tráfego através da rede. A informação em uma rede MPLS é designada a uma determinada classe de serviço, e os dados são encaminhados através de caminhas estabelecidos anteriormente, sendo feita apenas comutação, e não o roteamento. MPLS é uma tecnologia utilizada em backbones, e consiste em uma solução para problemas atuais de redes de computadores como velocidade, escalabilidade, gerenciamento de qualidade de serviço (QoS) e a necessidade de engenharia de tráfego. Dentre as vantagens desta nova tecnologia estão: * Orientação a conexão em redes IP; * A transferência da comutação da camada 2 para a camada 3; * Menor complexidade de decisões de encaminhamento nos roteadores;

18 46 * Engenharia de tráfego; * VPNs (Virtual Private Networks); * Eliminação de múltiplas camadas; * CoS (Classes de Serviço); * Garantia de QoS (Qualidade de Serviço); A aplicação mais interessante do MPLS consiste na sua utilização em conjunto com o IP. Desta forma temos o melhor de dois mundos, pois combina-se vantagens do roteamento de pacotes e da comutação de circuitos. Principais características do MPLS: * Suporta o conceito de fluxos e rótulos. * Os rótulos não são mapeados fim-a-fim mas são gerenciados localmente entre os LSRs vizinhos. * Suporta o roteamento explícito, ou seja, o originador do fluxo de tráfego pode determinar a rota a ser seguida dentro do domínio MPLS. * O próprio rótulo pode ser usado para representar a rota. * É compatível com os protocolos existentes tais como o OSPF e BGP; * Usa o conceito de equipamento de borda - muito do overhead de processamento de funcionamento é executado antes do tráfego ingressar no núcleo do domínio da rede MPLS. * A associação de um pacote a uma FEC é realizada uma vez, no roteador de borda, o qual é associado com um rótulo. * Não é feito nenhum exame no cabeçalho IP - ao invés disto, o rótulo é usado como um índice, o qual especifica o novo rótulo e o próximo salto do pacote. * O rótulo pode representar a FEC e a QoS associada com o pacote. 9.3 Terminologias utilizadas no MPLS LSR (Label Switching Router - Roteador de Comutação de Rótulos) Ingress LSR - recebe o pacote original, classifica em FEC, gera o um cabeçalho MPLS e efetua o encapsulamento; Transit LSR - Decide os encaminhamentos e efetua as permutações de rótulos; Roteador de alta velocidade que atua no estabelecimento de LSPs usando protocolos de sinalização de rótulos apropriados; Egress LSR - realiza operações de desencapsulamento e entrega do pacote original ao destino; LSP (Label Switch Path) caminho virtual estabelecido através do núcleo de uma rede MPLS, que determina uma rota de encaminhamento para os pacotes, desde a origem até o seu destino. LSP pode ser definido como uma seqüência ordenada de LSR nnencaminhamento unidirecional FEC Fowarding Equivalence Class Grupo de pacotes IP - recebem o mesmo tratamento durante o encaminhamento Pacote de uma mesma FEC segue o mesmo caminho no domínio MPLS Label Rótulo de 32 bits (identifica uma FEC)

19 47 Label Stack Conjunto ordenado de Rótulos LIB (Label Information Base) Tabela de Comutação FEC/Label 9.4 Domínio MPLS O domínio MPLS e composto: Usuários(remetente e destinatário), LER(entrada), LER(saída) e LSR. Usuário: envia e recebe uma mensagem. LER(entrada): opera na borda de uma rede MPLS e tem um papel importante na atribuição rótulo. LER(saída): opera na borda de uma rede MPLS e tem um papel importante na remoção de rótulo. LSR: utilizam a comutação da camada de enlace para capacitar a rede enviar pacotes de uma forma mais rápida e mais simples. LSR (Label Switching Router - Roteador de Comutação de Rótulos) Ingress LSR - recebe o pacote original, classifica em FEC, gera o um cabeçalho MPLS e efetua o encapsulamento; Transit LSR - Decide os encaminhamentos e efetua as permutações de rótulos; Roteador de alta velocidade que atua no estabelecimento de LSPs usando protocolos de sinalização de rótulos apropriados; Egress LSR - realiza operações de desencapsulamento e entrega do pacote original ao destino; 9.5 Comparando o encaminhamento IP x MPLS IP Pacotes de dados são encaminhados de forma independente Não é estabelecido uma conexão ou circuito virtual O roteador analisa o endereço destino carregado pelo pacote IP MPLS O roteador de entrada atribui um rótulo aos pacotes IP; Cada roteador do domínio MPLS determina o próximo salto, baseado apenas no rótulo associado ao pacote e efetua a permutação do pacote e encaminha o pacote; O roteador de saída remove o rótulo associado ao pacote e encaminha para o próximo salto ou destino via roteamento convencional; consulta uma tabela de roteamento mantida pelo roteador toma uma decisão de para onde encaminhar o pacote; A tabela de roteamento é mantida pelo

20 48 roteador utilizando informação trocada entre roteadores e procedimentos definidos pelo protocolo de roteamento utilizado: OSPF, RIP e BGP; O mas simples é o MPLs pois o seu roteador de domínio de acordo com o rótulo colocado ele já consegue determinar o próximo salto, facilitando assim o transporte dos pacotes e garantindo segurança, simplicidade e rapidez da comutação e etiquetas, o que garante elevado desempenho. Fig. 6 Exemplo encaminhamento IP

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