Qualidade de Serviço em Redes IP com DiffServ: Avaliação através de Medições

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1 Universidade Federal de Santa Catarina Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação Edison Tadeu Lopes Melo Qualidade de Serviço em Redes IP com DiffServ: Avaliação através de Medições Dissertação submetida à Universidade Federal de Santa Catarina como parte requisitos para a obtenção do grau de Mestre em Ciência da Computação Prof. Dr. Carlos Becker Westphall Orientador Florianópolis, Maio de 2001.

2 Edison Tadeu Lopes Melo Qualidade de Serviço em Redes IP com DiffServ: Avaliação através de Medições Florianópolis 2001

3 Qualidade de Serviço em Redes IP com DiffServ: Avaliação através de Medições Edison Tadeu Lopes Melo Esta Dissertação foi julgada adequada para obtenção do Título de Mestre em Ciência da Computação, Área de Concentração Sistemas de Computação e aprovada na sua forma final pelo Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação. Prof. Dr. Carlos Becker Westphall Orientador Prof. Dr. Fernando Alvaro Ostuni Gauthier Coordenador do Cyírso de Pós-Graduação em Ciências da Computação Banca Examinadora: Prof. Dr. Carlos Becker Westphall Presidente Prof. Dr. Jean-Marie Farines Prof. Dr. Roberto Willrich Msc. Elvis Melo Vieira

4 Resumo Esse trabalho apresenta uma avaliação sobre a implementação de Qualidade de Serviço (QoS) em redes IP através de medições. Foram testados os padrões DiffServ em diferentes plataformas. A avaliação constituiu-se de duas fases: Na primeira fase, realizou-se uma análise global sobre o ambiente DiffServ e verificou-se a capacidade de isolamento de tráfego e garantia de largura de banda por classe de serviços. Ainda nessa etapa realizou-se monitoração nos nós DiffServ para verificar o comportamento dos mecanismos de classificação e descarte de pacotes. Na segunda fase, a medição de QoS foi empregada para estudar o impacto do tráfego melhor esforço, TCP e UDP, com diferentes tamanhos de pacotes, sobre o desempenho da classe de serviços de tráfego expresso (EF). Para todos os experimentos, ütilizou-se um tráfego de background para saturar o canal de comunicação. Na classe EF foram realizadas medidas associadas ao atraso, à variação do atraso e à taxa de perda de pacotes. Os resultados foram conclusivos quanto a garantia de QoS quando a classe de serviços EF é configurada para suporte a tráfego com taxa constante de bits (CBR). Os resultados demonstraram, entretanto, existir situações onde mecanismos de garantia de QoS são afetados pela presença de tráfego background intenso na rede. Finalmente, efetuou-se transmissão de áudio e vídeo para relacionar o desempenho dessas aplicações nos ambientes de testes. Essas transmissões comprovaram a efetividade dos mecanismos de priorização de tráfego de DiffServ e das políticas de configuração adotadas.

5 Abstract This work presents an evaluation, about a Quality of Service implement on IP Networks, through measurements. It was tested the DiffServ Standard on different platforms. The evaluation has two phases: On the first phase, it was made a global analysis about the DiffServ environment, in which was verified the capacity of traffic isolation and guarantee of bandwidth per service class. Further in this phase, monitoring was done on the DiffServ nodes to verify the behavior of the classification mechanisms and packet discards. On the second phase, the QoS measurements was used to study the impact of the best effort traffic - TCP and UDP with different sizes of packets - on the performance of service class of Expedited Forwarding (EF). For all the measurement experiments, it was used background traffic to saturate the communication channel. In the EF class, it was made measurements concerned with the delay, variation of the delay (jitter) and the packet loss rate. The results were conclusive considering the QoS guarantee when the service class EF was configured to support one CBR traffic. However, the results demonstrated the existence of situations where the mechanisms of QoS guarantee are affected by the presence of intensive background traffic on the network. Finally, it was made audio and video transmission to compare the performance of these applications in the test environments. These transmissions validated the effectiveness of the traffic prioritization of DiffServ and the configuration policies adopted.

6 Dedicatória Para minha esposa, Edilce; Minha filha, Natália; Meu pai, Tubalcaim; Minha mãe, Hiolita; Minha irmã e irmãos; e Meus amigos.

7 Agradecimentos A Edilce e Natália pelo amor, dedicação e companheirismo que foram muito importantes para a realização deste trabalho. A minha família, pelo apoio e incentivo em todas as horas. Ao professor Carlos Becker Westphall, pelo incentivo, apoio e orientação. Aos demais membros da banca: Professor Jean-Marie Farines, pelos muitos trabalhos realizados, pelas oportunidades, pelo convívio, amizade e exemplo; Professor Roberto Willrich, pelas sugestões; e Elvis Melo Vieira, pelas discussões, sugestões e amizade. A todos amigos do NPD, de ontem, de hoje e de sempre e, em especial, ao Márcio, Fernando, João Batista, Nicolau, Izabel, Kathia Jucá, André, Adriano, Jussara e Gerson. Aos amigos da RMAV-FLN, em especial, a Solange, Walter e Pedro. A todos os meus amigos e a Deus.

8 Índic e 1 i n t r o d u ç ã o C o n siderações in ic ia is O bjetivos d o tr a b a l h o O bjetivo g era l O bjetivo s esp ecífico s N e c e ssid a d e de Q os O p ro to co lo IP e a In tern et R oteam en to I P E xigências das a p lica çõ es C onvergência p a ra I P L argu ra d e b an da Organiza ç ã o d o t r a b a l h o D E F IN IÇ Õ E S E C O N C E IT O S R E L A C IO N A D O S A Q O S C o n sid e r a ç õ e s in ic ia is O q u e É q u a lid a d e d e s e r v iç o (Q o S ) Q u a l id a d e d e serviço em r edes I P M o d elos d e q u a l id a d e d e serviço h m -a -f im S erviço d e m elh or esfo rço S erviço diferen ciado S erviço in te g ra d o : R eq uisito s esse n c ia is em redes com Q os A tra so fim -a -fim V ariação do a traso (jitte r ) P erd a d e p a c o te s L argura de banda e v a z ã o C o n sid e r a ç õ e s finais so bre este c a p ít u l o M E C A N IS M O S P A R A C O N T R O L E D E T R Á F E G O E M R E D E S I P Tipos d e m e c a n ism o s p a r a controle d e t r á f e g o M ecanism os p a ra con trole de tráfego p o r co n versa çã o M ecanism os p a ra con trole de tráfego p o r a g re g a ç ã o S erviços in t e g r a d o s S erviços d if e r e n c ia d o s V isão g e r a l E ncam inham ento de tráfego - P H B s P H B s p a d r õ e s S erviços em um dom ínio D S P o líticas de Q os em D iffs erv C o m pa r a ç ã o D iffs erv v er su s In tse r v C o n sid e r a ç õ e s finais so bre este c a pít u l o M E C A N IS M O S D E E N F IL E IR A M E N T O E P O L IC IA M E N T O D O T R Á F E G O

9 ix 4.1 M ecanism o s d e e n fil e ir a m e n t o Enfileiramento First In, First Out (FIFO) Enfileiramento por Prioridade - Priority Queuing - (PQ) Enfileiramento Baseado em Classes (CBQ) Enfileiramento - WFQ (Weighted Fair Queuing) Policiam ento d o t r á f e g o O método do balde furado :2.2 O método do balde de tokens C o nsiderações finais sobre este c a pít u l o M É T R IC A S D E Q O S E S U A M E D IÇ Ã O C o n siderações in ic ia is M edição d e r edes IP O efeito d o t a m a n h o d a f il a O a t r a s o...: C om o m edir Q os Medição não intrusiva Medição intrusiva M é t r ic a s Métricas relativas a DiffServ deforma geral Métricas relativas a marcação AF Métricas relativas a classe EF C o nsiderações finais so bre este c a pít u l o D E S C R IÇ Ã O D O S E X P E R IM E N T O S Experim ento s - Fa se I - A n á lise geral d e D iffs e r v Ambiente DS para realização dos experimentos Políticas de QoS definidas Topologia da rede Geração e medição do tráfego E xperim entos - Fa se I I Ambiente DS com roteadores IBM Fundamentos da implementação DS nos roteadores IBM Topologia do ambiente IBM Ambiente DS com roteadores CISCO Fundamentos da implementação DS nos roteadores CISCO Topologia do ambiente CISCO Objetivos dos experimentos Método utilizado nas medições C onsiderações fin a is so br e este c a pít u l o R E S U L T A D O S E A N Á L IS E - F A S E I A v a lia ç ã o d a v a z ã o La r g u r a d e b a n d a d e fin id a v er su s v a z ã o e f e t iv a V isão geral so bre o c o m po rtam ento d a r e d e M onitor a ç ã o d o s r o t e a d o r e s C o n c lu sõ es - Fa se I R E S U L T A D O S E A N Á L IS E - F A S E I I

10 8.1 A m biente IB M Determinação do perfil da rede - Ambiente IBM Avaliação do RTT com e sem D S Avaliação do atraso Avaliação da variação do atraso IPDV-jitter Avaliação da taxa de perdas Avaliação qualitativa do tráfego de áudio A m bien te C IS C O Determinação do perfil da rede Avaliação do RTT com e sem D S Avaliação do atraso Avaliação da variação do atraso Avaliação da taxa de perdas Avaliação qualitativa de tráfego de áudio e vídeo C o nclusõ es - Fa se I I C O N C L U S Õ E S Principais c o n tr ibu iç õ e s S ugestõ es para t r a ba lh o s f u t u r o s Medições... ; Gerência de segurança e qualidade de serviço Engenharia de tráfego Análise estatística R E F E R Ê N C IA S A N E X O I - C O N F IG U R A Ç Ã O D S A M B IE N T E I B M In t r o d u ç ã o H a bilita ç ã o d o serviço D S A N E X O II - C O N F IG U R A Ç Ã O D S N O A M B IE N T E C IS C O In t r o d u ç ã o S egm ento de c o nfig uração D S no roteado r C ISC O A N E X O III - F E R R A M E N T A S D E G E R A Ç Ã O E M E D IÇ Ã O D O T R Á F E G O M G E N N e t per f G eração e m ediç ão d o tr á feg o n o a m bien te IB M Geração e medição do tráfego EF Geração do tráfego BE-UDP em background Geração do tráfego BE-TCP em background G eração e m ediç ão d o tr á feg o n o a m bien te C IS C O Geração e medição do tráfego EF Geração do tráfego UDP BE em background no ambiente CISCO Geração do tráfego TCP BE em background no ambiente CISCO

11 Lista de Figuras F ig u r a C a m po D S d o c a beçalh o d o IPv F ig u r a R SV P n o s h o s t s e r o t e a d o r e s...21 F ig u r a S er v iç o s d iferencia d o s - v isã o g e r a l Fig ura R o teador que im plem enta a r q u itet u ra D iffs e r v...23 Fig ura Cam po TO S v er su s B yte D S Fig u r a D ia g r a m a d e blocos d e enfileiram ento e escalo nam ento em um r o t e a d o r...31 F ig u r a E n f ile ir a m e n to FIFO - f i r s t in, f i r s t o u t...33 Fig u r a Enfileiram ento por p r io r id a d e Fig u r a Enfileiram ento b a se a d o em c la sses - C B Q...36 F ig u r a E n file ir a m e n to - Weigh ted Fair Q u euing (W F Q )...:...38 Fig u ra M éto do b a l d e fu r a d o (a ) Fig u ra M éto do b a l d e fu r a d o (b ) Fig u r a M éto do b a l d e de to kens (a )...41 Fig u r a M éto do b a l d e de to kens (b )...41 Fig u r a Po nto s q ue colabo ram com o a t r a so fim-a -f i m Fig u r a M e d iç ã o in tr u siv a em u m c ir c u it o...48 F ig u r a D om ínio D iffs erv - fa se F ig u r a Flu x o s d e t r á f e g o s...54 F ig u r a A m biente D S com r o teado res IBM e conex õ es P P P...58 F igura A m biente D S com roteado res CISCO e conexões A T M...61 F ig u r a l - l - V a z ã o p o r f l u x o d e t r á f e g o - p a c o t e 128 b y t e s...70 F ig u r a V a z ã o por flu x o d e tráfego - pa co te 256 b y t e s...71 Fig u r a V a z ã o por flu x o d e tráfego - pa co te 512 b y t e s F ig u r a V a z ã o m ed id a v s. l a r g u r a d e b a n d a d e fin id a - p a c o t e 128 bytes.. 72 F ig u r a V a z ã o m ed id a v s. l a r g u r a d e b a n d a d e fin id a - p a c o t e 256 b y t e s 72 F ig u r a V a z ã o m ed id a v s. l a r g u r a d e b a n d a d e fin id a - p a c o t e 512 b y t e s 73 F ig u r a 7-7 -T em p o d e t r a n s f e r ê n c ia v s. ta m a n h o d o p a c o te (b y te s ) n a c l a s s e E F Fig u r a V a zã o v s. tam a n h o d o paco te (b y t e s) - D S habilitado e D S n ã o h a b il it a d o Fig u r a L a r g u r a d e b a n d a defin id a v s. v a z ã o m e d id a v s. tráfego a g r eg a d o p/ c l a s s e Fig u r a V a zã o m e d id a por c la sse d e tr á feg o, v a r ia n d o ta m a n h o do PACOTE (BYTES)...75 F igura RTT entre os sistem as E F l e EF2 com pacotes de 84 B y t e s...79 F ig u r a V a z ã o n o c a n a l v s. ta m a n h o d o p a c o t e F ig u r a RTT - 1 f l u x o ICMP EF e 1 f l u x o ICM P BE - t r á f e g o bg U D P INTENSO F ig u r a A t r a s o fim -a-fim (o ne- w a yd e la y) co m t r á f e g o b g e sem t r á f e g o bg F ig u r a E f e it o d o ta m a n h o d o p a c o t e bg n o a t r a s o EF em um s e n tid o F ig u r a E fe ito d o ta m a n h o d o p a c o t e b g n o a t r a s o EF (3 f l u x o s ) em um s e n t i d o... 86

12 F ig u r a E f e it o d o ta m a n h o d o p a c o t e bg n o a t r a s o EF (5 f l u x o s ) em um s e n t id o...86 F ig u r a E f e it o d o ta m a n h o d o p a c o t e b g TCP n o a t r a s o EF - v is ã o co m 1, 3 E 5 FLUXOS EF EM UM SENTIDO...87 F ig u r a E f e it o d o ta m a n h o d o p a c o t e bg U D P n o a t r a s o EF - v is ã o co m 1, 3 E 5 FLUXOS EF EM u m SENTIDO...88 F ig u r a E f e it o d o ta m a n h o d o p a c o t e b g (TCP e U D P ) n o a t r a s o EF - v isã o com 1,3 e 5 flu x o s EF) em u m s e n t id o F ig u r a E f e it o d o ta m a n h o d o p a c o t e b g U D P n o j i t t e r EF - v is ã o com 1, 3 E 5 FLUXOS EF EM u m SENTIDO...89 F ig u r a E f e it o d o ta m a n h o d o p a c o t e b g TCP n o j ü t e r d o f l u x o EF - v is ã o com 1, 3 e 5 fl u x o s) em u m se n t id o...90 F ig u r a E f e it o d o ta m a n h o d o p a c o t e b g (TCP e U D P ) n o j u t e r d o f l u x o EF - v isã o com 1, 3 e 5 flu x o s em u m s e n t id o F ig u r a E fe ito d o ta m a n h o d o p a c o t e b g (TCP e U D P) n a t a x a d e p erd a d e paco tes EF -1 fluxo E F F ig u r a E fe ito d o ta m a n h o d o p a c o t e b g (TCP e U D P ) n a t a x a d e p e r d a d e pa co tes EF - 3 flu x o s E F F ig u r a E fe ito d o ta m a n h o d o p a c o t e b g (TCP e U D P ) n a t a x a d e p e r d a d e pa co tes EF - 5 flu x o s E F...93 Fig ura A t r a so s típicos ocorridos n o tr a n spo r te d e v o z so bre redes d e pa c o t e s...93 F ig u r a L a r g u r a d e b a n d a u t iliz a d a - D S h a b ilit a d o e sem t r á f e g o b g - q u a l id a d e d a v o z - ó t im a Fig ura T a x a d e per d a d e pacotes - D S habilitado e sem tráfego bg - q u a l id a d e d a v o z - ó t im a Fig u r a La r g u r a d e b a n d a utilizada - D S n ã o h a bilita d o e com tráfego BG U D P 1500 BYTES - QUALIDADE d a VOZ - SEM RECEPÇÃO DE ÁUDIO F ig u r a T a x a d e p e r d a d e p a c o te s - D S n ã o h a b ilit a d o - t r á f e g o b g U D P 1500 BYTES - QUALIDADE DA VOZ - SEM RECEPÇÃO DE ÁUDIO Fig u r a RTT en tre os sistem as E F l e EF2 c om paco tes d e 84 b y t e s Fig u r a V a z ã o n o c a n a l v s. t a m a n h o d o p a c o t e Fig u r a RTT (R o u n d T rip T im e) d e u m fluxo ICM P EF e ICM P melhor e s f o r ç o n a p r e s e n ç a d e t r á f e g o U D P em b a c k g r o u n d in t e n s iv o Fig u r a E feito d o tam a n h o d o pacote B E (TCP) n o a tr a so d o s fluxos EF Fig u r a E feito d o tam a n h o d o pacote BE (U D P ) n o a tr a so d o s fluxos EF Fig ura E feito d o ta m a n h o d o paco te B E (U D P e TCP) n o a tr a so dos flu x o s E F Fig u r a E feito d o ta m a n h o do pacote B E (U D P ) n a v a r ia ç ã o d o a traso d o s flu x o s E F Fig ura E feito do tam anho do pacote BE (TCP) n a varia ç ã o do atraso d o s fluxos E F Fig ura E feito do tam anho do pacote BE (U D P) n a t a x a d e perda de paco tes d o s fluxos E F Fig u r a E feito d o tam a n h o d o pacote B E (TCP) n a t a x a d e per d a de paco tes d o s flu x o s E F...106

13 xiii F ig u r a L a r g u r a d e b a n d a u t il iz a d a - DS h a b il it a d o e se m t r á fe g o BACKGROUND F ig u r a Ta x a d e p e r d a d e p a c o t e s - DS h a b il it a d o e s e m t r á fe g o BACKGROUND F ig u r a L a r g u r a d e b a n d a u t il iz a d a - DS h a b il it a d o - t r á fe g o BACKGROUND UDP COM PACOTE DE 1500 BYTES E VAZÃO DE 2 M B P S F ig u r a T a x a d e p e r d a d e p a c o t e s - DS h a b il it a d o - c o m t r á feg o BACKGROUND UDP COM PACOTE DE 1500 BYTES E VAZÃO DE 2 M B P S F ig u r a L a r g u r a d e b a n d a u t il iz a d a - DS n ã o h a b il it a d o - t r á feg o BACKGROUND UDP COM PACOTE DE 1500 BYTES E VAZÃO DE 2 M B P S F ig u r a T a x a d e p e r d a d e p a c o t e s - DS n ã o h a b il it a d o - t r á feg o BACKGROUND UDP COM PACOTE DE 1500 BYTES E VAZÃO DE 2 M B P S F ig u r a A m b ie n t e DS IBM - f a s e II F ig u r a A m b ie n t e DS CISCO - f a se I I

14 XIV Lista de tabelas T a b e l a F orm as d e c a ra c teriza r t a x a s d e bits d e a plic a çõ es em term os de PREVISIBILIDADE RELATIVA...5 T a b e l a F orm as d e c a racterizar a sensibilid a d e d e a plic a çõ es a a traso s DE en treg a d e d a d o s...6 Ta b e l a P H B A F - R F C q u a tro c lasses d e tr á feg o in d e p e n d e n t e s.. 26 Ta b e l a PHB D efa u l t - T r á feg o m elhor esfo r ç o...26 T a b e la PHB EF - R F C T r á f e g o p r e m iu m...26 T a b e l a 6-1- Políticas d e D iffs er v d efin id a s T a bela M edições r ea liz a d a s com D S h a b il it a d o...56 T a bela M edições r ea liz a d a s com D S n ã o h a b il it a d o...56 T a bela C á lculo d a v a z ã o teórica m á x im a em u m c a n a l P P P...63 T a b e l a Cálculo d a v a z ã o teórica m á x im a em u m PV C A T M T a b e l a Ta x a d e pa co tes por se g u n d o e v a z ã o m á x im a g e r a d a...64 T a b e la V a z ã o d o t r á f e g o U D P em ba c k g r o u n d - am bien te IB M...67 T a b e la V a z ã o d o t r á f e g o TCP em background - am biente IB M...68 T a b e la V a z ã o d o t r á f e g o U D P em background - a m b ie n te C ISC O...68 T a b e la V a z ã o d o t r á f e g o TCP em b a c k g r o u n d - a m b ie n te C IS C O...68 Ta b e l a M onitoração em b o r d e r I e interior 1 r epr esen ta d o s n a Figura T a b e l a RTT e t a x a d e p er d a s (%) d e pacotes entre e fi e ef2 e entre ef2 e EFl T a b e l a V a z ã o TCP m elhor esforço v a r ia n d o o t a m a n h o d o p a c o t e...80 T a b e l a N úm ero d e pa co tes recebidos por se g u n d o e v a z ã o T a b e la RTT e t a x a d e p e r d a s - 1 f l u x o ICM P B E - t r á f e g o b g U D P in te n s o...83 T a b e la RTT e t a x a d e p e r d a s - 1 f l u x o ICM P EF - t r á f e g o bg U D P in te n s o...83 T a b e l a Q u a lid a d e d a v o z em diferentes situaçõ es d e c a r g a e c o n fig u r ação d a r e d e T a b e l a E sta tístic a s d e tr a n sm issã o d e á u d io - r ea l s e r v e r...96 T a b e l a RTT e t a x a d e p er d a s (%) d e pacotes entre e f I e ef2 e entre ef2 e e f I...99 T a b e l a V a z ã o m á x im a m e d id a a tr a v é s d o N etperf em a m b o s os sentidos 99 Ta b e l a V a zã o TCP m elhor esforço v a r ia n d o o t a m a n h o d o p a c o t e...99 Ta b e l a N ú m ero d e pa co tes rec ebid o s por seg u n d o e v a z ã o T a bela RTT e ta x a d e perdas (%) de pacotes - 1 fluxo ICMP melhor ESFORÇO - TRÁFEGO U D P BG Ta bela RTT t a x a d e per d a s (%) de pacotes - 1 fluxo EF ICM P - tráfego U D P intenso em b g Ta b e l a H a bilita ç ã o d e D S n o s n ó s b o r d e r I, b o r d e r2 e interior Ta b e l a D efinição d e políticas n o s n ó s D S bo r d er 1, b o r d e r2 e interior Ta b e l a D efinição d o s perfis d e tráfego n o s n ó s D S bo r d er 1, bo r d er2 e interior

15 XV T a b e l a D efinição d a s a ç õ es so br e o tráfego n o s n ó s D S b o r d e r I, BORDER2 E INTERIOR T a b e l a D efinição dos períodos d e v a l id a d e d a política d e f in id a T a b e l a O pções d o pa râm etr o s c o n fo r m -actton e ex c eed-a c tio n do COMANDO RATE-LIMIT T a b e l a c o n fig u r ação D S - CISCO - (c la ssific a çã o, policiam ento e MARCAÇÃO) T a b e l a C o nfig uração D S - CISCO - c o n exão d a política d e Q os n a INTERFACE DE SAÍDA T a b e l a C o nfig uração D S - C ISCO - (c la ssific a çã o, e esc a l o n a m en t o d o TRÁFEGO) T a b e la S c r ip tf g - d r e c - r e c e p ç ã o d o t r á f e g o EF - ( e x e c u t a d o em E F l e E F 2 ) T a b e la Sc r ip tfg -m g en - g e r a ç ã o d o t r á f e g o EF - e x e c u t a d o em E F l e E F T a b e la S cript s m c a lc - p r o c e s s a o s d a d o s d o s a r q u iv o s g e r a d o s p e lo DREC T a b e la S c r ip tb g -d r e c - r e c e p ç ã o d o t r á f e g o B E - e x e c u t a d o em B E I e B E T a b e la S cript b g -m g en - g e r a ç ã o d o t r á f e g o B E - e x e c u t a d o em B E I e B E T a bela S c w t b g -netsrv - recepção d o tráfego BE - ex e cuta d o em B E I e B e T a b e la S cript b g - r a t e - g e r a ç ã o d o t r á f e g o B E - e x e c u t a d o em BE 1 e B e T a b e la Scrip t b g -t r p - e s t im a t iv a d a v a z ã o - e x e c u t a d o em B E I e B e2 135' T a b e la S c r ip t f g - d r e c - r e c e p ç ã o d o t r á f e g o EF - e x e c u t a d o em E F l T a b e la S c r ip t fg -m g e n - g e r a ç ã o d o t r á f e g o EF - e x e c u t a d o em EF2 135 T a b e la S c r ip t b g -d r e c - r e c e p ç ã o d o t r á f e g o BE - e x e c u t a d o em BE Ta b e l a S cript b g -m gen - geração d o tráfego BE - executa d o em BE Ta b e l a Script b g -n et sr v - recepção d o tráfego BE - ex e c u ta d o em B E I Ta b e l a S cript b g -rate - geração d o tráfego BE - e x e c u ta d o em B E I 136 Ta bela Script b g -thp - estim a itva d a v a z ã o - executado em B E I e Be

16 Lista de abreviaturas AF ATM BA BE bg CAR CBR CIR Diffserv DS DSCP e2e EF ERP FIFO IETF Intserv IP IPDV IPPM LAN PPP MF NTP PHB PQ QoS RTT RSVP SLA Assured Forwarding Asynchronous Transfer Mode Behaviour Aggregate Best-Effort background Committed Access Rate Constant Bit Rate Committed Information Rate Differentiated Services Differentiated Services Differentiated Services Code-Point End to End Expedited Forwarding Enterprise Resource Planning First In First Out Internet Engineering Task Force Integrated Services Internet Protocol Instantaneous Packet Delay Variation IP Performance Working Group Local Area Network Point-to-Point Protocol Multi-field Network Time Protocol Per-Hop Behaviour Priority Queuing Quality of Service Round Trip Time Resource ReSerVation Protocol Service Level Agreement

17 SCFQ TCP TOS UBR UDP VBR VoIP VPC WAN WFQ Self Clocked Fair Queuing Transmission Control Protocol Type of Service Unspecified Bit Rate User Datagram Protocol Variable Bit Rate Voice over IP Virtual Path Connection Wide Area Network Weighted Fair Queuing

18 1 I n t r o d u ç ã o 1.1 Considerações iniciais A medida em que as redes ganham novas funcionalidades, tornam-se ativos empresariais estratégicos e centros de operações das empresas. Aplicações de missão crítica, tais como as de Planejamento de Recursos Empresariais - ERP (Enterprise Resource Planning), compartilham largura de banda com o tráfego convencional (transferência de arquivos, acesso a páginas WWW) e outras aplicações. As redes, entretanto, convergem para uma infra-estrutura única compartilhada, capaz de suportar também áudio e vídeo e, neste cenário, tipos diferentes de tráfego devem ser tratados de modo diferenciado. Algumas aplicações, como as de áudio, têm exigências rígidas quanto ao atraso fim-a-fim, mas podem tolerar perdas mínimas de pacotes, enquanto outras como transferência de arquivos são sensíveis a este último aspecto, mas as exigências quanto ao atraso são pouco severas [53], As aplicações de missão crítica dão suporte às principais operações das empresas e não podem tolerar atrasos causados por aplicações multimídia. Estas possuem altos requisitos de largura de banda e, potencialmente, podem absorver todos os recursos de rede disponíveis. Em uma instituição financeira, por exemplo, aplicações de missão crítica são aquelas ligadas diretamente ao negócio, como as de suporte às operações de saque, emissão de extrato, consulta a saldo e outras desta natureza. Já a empresa que decide implantar uma aplicação de voz sobre IP (VoIP) em sua rede corporativa pode necessitar priorizar o tráfego gerado por essa aplicação em relação as demais, sem entretanto afetá-las significativamente. A necessidade de Qualidade de Serviço (QoS) é evidente quando se busca utilizar eficientemente canais de comunicação de redes de longa distância WAN - (Wide Area Network), os quais muitas vezes apresentam baixa taxa de transferência e/ou alto custo mensal. Em redes corporativas espalhadas por diversas localizações geográficas conectadas por uma WAN, pode ser imperativo dar maior prioridade ao tráfego de voz e de missão crítica que a outros tipos de tráfego.

19 2 Uma das maneiras de se conseguir QoS (Quality o f Service) é o encaminhamento de pacotes, de forma diferenciada, através do agrupamento destes em categorias de tráfego 1 2 chamadas classes. Uma classe pode conter um único fluxo ou a agregação de múltiplas instâncias de um fluxo [15]. Tratamento diferenciado nos pacotes pode ser empregado para criar serviços. Um serviço está associado às necessidades das aplicações como largura de banda, atraso, variação do atraso ou jitter e taxa de perda de pacotes. Conceitualmente, a largura de banda define a capacidade de transmissão de dados de um canal de comunicação, enquanto o atraso é o tempo decorrido entre o envio de uma mensagem e sua recepção no nó destino. Em redes de pacotes, a variação do atraso é uma distorção nos tempos de chegada entre pacotes comparados aos tempos originais de transmissão, enquanto que a taxa de perda de pacotes representa o percentual de pacotes que foram transmitidos, mas não chegaram ao destino em um determinado período de tempo. Pesquisas feitas pelo ATM Fórum[4] e IETF3 [27] apresentam diversas soluções para prover QoS em redes de computadores: o padrão ATM (Asynchronous Transfer Mode) [4], o protocolo de reserva de recursos, RSVP (Resource ReSerVation Protocol) [45], principal componente da arquitetura IntServ de serviços integrados [28] e a arquitetura DiffServ de serviços diferenciados [22] [9] são soluções interoperáveis e complementares que buscam resolver este problema. O suporte de QoS requer medição de desempenho para aferir se os níveis de qualidade especificados foram alcançados. Quando um provedor Internet ou uma corporação fornece serviços baseados em QoS para seus usuários, diferentes níveis de medições podem ser realizados: na aplicação para adaptação aos níveis de QoS esperados; pelos usuários para verificar o serviço fornecido pela rede; e pelo provedor para monitorar e validar os serviços. 'Em QoS, fluxo pode ser definido como um conjunto de pacotes que, ao atravessarem um elemento da rede, são cobertos pelos mesmos requisitos de controle de QoS. 2 Conjunto de pacotes com o mesmo endereço fonte e destino. Endereço pode ser IP (IP, porta TCP), (IP, porta UDP), Mac Address, etc. 3 Internet Engineering Task Force é uma confederação livre de voluntários da indústria de redes e da academia com objetivo de estabelecer protocolos padrões para a Internet.

20 3 O problema da medição de desempenho é abordado pelo grupo de trabalho IP Performance Working Group [30] do IETF. A medição depende da disponibilidade de métricas, ferramentas e métodos padronizados para quantificar o desempenho. Neste trabalho serão investigados aspectos relacionados à implementação e análise da arquitetura de Serviços Diferenciados (DiffServ) [22] para prover QoS em redes de longa distância. Ambientes de testes serão montados e utilizados para ganhar experiência com DiffServ e com as ferramentas de medição, a fim de investigar o funcionamento e a efetividade dos mecanismos de priorização e a possibilidade de utilização desta arquitetura em um ambiente de produção. 1.2 Objetivos do trabalho Objetivo geral Avaliar, através de medições e experimentação com aplicações de voz e multimídia, a entrega de pacotes em redes IP utilizando a arquitetura de Serviços Diferenciados para implementação de qualidade de serviço (QoS) Objetivos específicos Verificar através da avaliação experimental se existe um comportamento dinâmico nos níveis de tráfego com e sem priorização de QoS; verificar a capacidade de isolamento de tráfego e alocação de largura de banda entre diversas classes de serviços do padrão DiffServ; verificar o efeito do tráfego melhor esforço, ou ausência desse, sobre o atraso, variação do atraso e taxa de perda de pacotes nos fluxos de tráfego priorizados; verificar a relação entre a gerência de qualidade de serviços e a gerência de segurança em redes; demonstrar a viabilidade da implantação de mecanismos de QoS em uma rede WAN, usando DiffServ como forma de melhoria do nível de serviço apresentado para as aplicações; e verificar o comportamento de aplicações de voz e video streaming na rede com QoS habilitado e não habilitado na presença e na ausência de tráfego em background.