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1 O que se deve considerar no planejamento de uma rede multi-serviço? Este tutorial apresenta conceitos e recomendações para o planejamento de uma rede multi-serviço. Jorge Moreira de Souza Doutor em Informática (81) pelo Instituto Nacional Politécnico de Toulouse, França, Mestre (75) e Bacharel (71) em Engenharia Elétrica na PUC-RIO. As principais áreas de interesse são Engenharia de Tráfego e Análise de Confiabilidade de Sistemas. Trabalha atualmente na FITec onde desenvolve trabalhos de análise/avaliação e revisões de projeto. Participou com membro da Comissão do I Concurso Teleco de Trabalhos de Conclusão de Curso (TCC), realizado em 2005, e do II Concurso Teleco de Trabalhos de Conclusão de Curso (TCC), realizado em Categoria: Banda Larga Nível: Introdutório Enfoque: Técnico Duração: 15 minutos Publicado em: 14/11/2005 1

2 Rede Multi-serviço: Introdução O cenário de convergência para as Redes de Telecomunicações projeta uma evolução dessas redes em vários eixos criando novos desafios para o planejamento. Podemos citar algumas características dessa evolução: Aumento do tráfego de pacotes, tornando-se superior ao tráfego de voz; Migração para uma rede onde vários serviços e tecnologias irão conviver, ou seja, redes multiserviços; Aproveitamento da infra-estrutura de Rede Telefônica Pública Comutada (RTPC) e Rede Inteligente existentes; Predominância de serviços baseados em IP (Internet Protocol); Demanda de serviços para Faixa Larga (> 2 Mbit/s) no acesso; Flexibilidade para suportar a rápida implementação e a manutenção de novos serviços. Nesse cenário, a otimização da utilização de recursos e a garantia da Qualidade de Serviço (QoS), passam a ter grande importância no planejamento da rede assim como a gerência dos recursos. O planejamento/gerência da rede, visando a otimização e a Qualidade de Serviço, é um processo sistemático composto de uma série de passos, tanto para a análise da rede, como para o seu planejamento. Os principais passos para a análise são: Fazer o levantamento do ambiente: número de escritórios, pontos de acesso, número e tipos de equipamentos, topologia da rede, etc.; Definir as principais aplicações: interconexão de LANs, acesso a base de dados, , acesso Internet, ERPs, etc.; Caracterizar o tráfego: hora de pico, taxa média e de pico, tamanho dos pacotes, etc.; Realizar a análise do desempenho da rede para diagnosticar os pontos de estrangulamento. Os principais passos para o planejamento são: Definir os critérios de qualidade: perda de pacotes, atraso, jitter, etc.; Definir o modelo de dimensionamento: modelos analíticos para o dimensionamento de recursos; Realizar a validação do modelo: experiência de campo ou simulada para teste do modelo de dimensionamento; Definir o sistema de gerência. O objetivo desse tutorial é discutir cada um desse passos com a finalidade de chamar a atenção do planejador para a amplitude do problema. 2

3 Rede Multi-serviço: Análise Levantamento do ambiente Nesse passo, o objetivo é o levantamento das características do ambiente de trabalho dos usuários da rede que são importantes para o dimensionamento. A necessidade pode ser a interligação de vários escritórios da empresa, o acesso a um provedor, o acesso a uma base de dados, etc. De outra forma, que dados são necessários para o dimensionamento dos diversos acessos à rede? Os dados devem ser levantados por escritório que tem acesso à rede e indicam os equipamentos disponíveis: Número de PCs e estações de trabalho; Característica da rede interna: rede Ethernet, modens ligados a um PABX que se interliga à rede por um servidor de acesso, etc.; Roteadores para acesso à rede; Base de dados acessada de outros pontos da empresa; Número de servidores, etc. Principais aplicações Que aplicações os usuários usam na rede? As aplicações do usuário dependem da sua atividade e podem ser: VPN (Virtual Private Network); Internet; Voz; Acesso a base de dados; ; Transações comerciais; Treinamento baseado em computador; Provedor de informação, etc. O passo seguinte é a caracterização de tráfego que depende das aplicações. Dois parâmetros são importantes: a taxa de chegada de pedidos e o grau de utilização, como será explicado a seguir. Cada aplicação apresenta características diferentes em relação a esses parâmetros. Caracterização do tráfego Conhecida as principais aplicações do usuário, a etapa de caracterização de tráfego visa quantificar, para cada uma delas, dois tipos de parâmetros [Men 98]: A taxa de chegada dos pedidos (pedidos/seg.); O grau de utilização (largura de faixa, tamanho médio do pacote, etc.). Para cada aplicação devem-se identificar os principais componentes que caracterizam o uso de recursos da rede e o tipo de parâmetro que o quantifica. 3

4 Por exemplo, se a aplicação é , os componentes a serem considerados são: Número de mensagens recebidas por usuário: taxa de chegada; Número de mensagens enviadas por usuário: taxa de envio; Tamanho da mensagem: grau de utilização (em bytes). Num serviço de acesso a base de dados é importante determinar: A taxa de acesso ao servidor: taxa de chegada; Tamanho das páginas acessadas: grau de utilização. Os parâmetros devem ser caracterizados, se possível, não apenas pelo seu valor médio, mas também pelo valor de pico, medidos na hora de maior movimento (HMM). 4

5 Rede Multi-serviço: Planejamento Critérios de qualidade Os requisitos de qualidade a serem adotados dependem da aplicação. Aplicações em tempo real, como voz, têm requisitos mais restritivos. Como exemplo, vamos analisar os critérios de qualidade de voz sobre uma rede de dados (por exemplo, VoIP). Devem-se determinar os critérios adotados para o (a): Método de codificação e compressão de voz; Atraso e a variação do atraso (jitter) da rede; Perda de pacotes; Disponibilidade do serviço. Um estudo documentado em [Cov 98] mostra que os principais fatores que influenciam a qualidade de voz são: i) a distorção do sinal de voz provocada pela codificação a baixas taxas e ii) a perda de pacotes. O atraso prejudica a dinâmica da conversação. Na seção Caso de Teste, adiante, é reproduzida uma parte dos resultados publicados em [Cov 98]. Os requisitos de disponibilidade dos serviços dependem da disponibilidade dos equipamentos de acesso e da redundância da rede e sua capacidade de re-roteamento no caso de falha de um roteador. Pode-se exigir também que o tempo de re-roteamento das chamadas, em curso no roteador em falha, seja mínimo de modo a ser quase imperceptível para os usuários. Modelo de Dimensionamento O dimensionamento deve ser feito para se atingir os requisitos de qualidade fixados anteriormente. O conhecimento das características de tráfego das diversas aplicações é fundamental para se evitar um possível super-dimensionamento que influenciará na análise econômica. Os fenômenos de dependência de longa duração e auto-similaridade, já verificados e documentados em diversas redes de dados, devem ser avaliados. Isso implica numa caracterização mais complexa do tráfego e também dos modelos de dimensionamento. Faz parte do dimensionamento a análise de disponibilidade do acesso e da rede assim como o estudo dos mecanismos de re-roteamento em função dos requisitos de restabelecimento das conexões. Validação do modelo O modelo analítico de dimensionamento, para ser matematicamente tratável, incorpora várias simplificações. Essa etapa é necessária para validar as aproximações efetuadas. Geralmente é feita por simulação, onde as características completas são simuladas e os resultados obtidos com os modelos analítico e de simulação são comparados para determinar as regiões de validade de aplicação do modelo de dimensionamento. Sistema de gerência Define o conjunto de indicadores e de ferramentas para determinar: os tempos de resposta; 5

6 a utilização de recursos como enlaces, servidores, etc.; as aplicações e protocolos ativos na rede e seus respectivos consumos de largura de faixa. Esse sistema é que dará visibilidade para gerenciar a qualidade da rede permitindo a detecção de congestionamentos e fornecendo informações ao administrador para pronta solução do problema. Essas informações são importantes também para a caracterização de tráfego que, como dito anteriormente, é fundamental para o correto dimensionamento, especificação de necessidades e projeção das necessidades de crescimento. 6

7 Rede Multi-serviço: Caso de Teste O caso de teste a seguir, que reproduz parte dos resultados publicados em [Cov 98], apresenta um cenário onde são analisados os atrasos fim-a-fim e a perda de pacotes, considerando o uso de uma rede IP para transporte de Voz. O caso atual apresenta um sistema com codificador de baixas taxas, e o caso futuro apresenta um sistema com uma maior preocupação em utilizar um codificador de melhor qualidade, e meios para evitar a perda de pacotes na rede. Os resultados dos atrasos e perdas de pacotes para ambos os casos são apresentados nas figuras a seguir. Figura 1: Cenário atual com maior atraso e perda de pacotes. 7

8 Figura 2: Cenário futuro com menor atraso e menor perda de pacotes. Os gráficos a seguir apresentam os resultados da impressão dos usuários ao realizar chamadas de Voz nos cenários apresentados, tanto para o caso de chamadas locais como de chamadas de longa distância (~ 2000 km), em termos do fator GoB ( Good or Better ). Figura 3: Impressão dos usuários para chamadas locais. 8

9 Figura 4: Impressão dos usuários para chamadas de longa distância. As conclusões comprovaram que a distorção do sinal de voz devido ao uso de codificadores de baixa taxa (resultado não reproduzido no relatório apresentado) e a perda de pacotes são os fatores importantes que influenciaram a qualidade das chamadas realizadas. Além disso, os longos atrasos verificados prejudicaram a dinâmica das conversações. 9

10 Rede Multi-serviço: Considerações Finais Este tutorial procurou apresentar uma proposta de seqüência para o planejamento e gerência de serviços sobre uma rede, tentando ressaltar os aspectos importantes a serem considerados em cada etapa. Cabe ressaltar que os projetos de rede requerem, de fato, um planejamento que inclua não somente o objetivo a ser alcançado, mas também o levantamento da situação atual e as necessidades dos diversos usuários com relação aos sistemas e serviços utilizados. A convergência de serviços para uma rede de pacotes, como é o caso das redes IP, demanda uma maior preocupação com a qualidade de serviço (QoS) a ser implantada, e com o gerenciamento da rede para garantir uma disponibilidade compatível com os requisitos definidos para o projeto como um todo. Referências [Cov 98] P.Coverdale, Voice over IP voice quality, ITU, SG12, Delayed Contribution D.041, Feb 98. [Men 98] D.A.Menascé, V.A.F.Almeida, Capacity Planning for Web Performance, Prentice Hall,

11 Rede Multi-serviço: Teste seu Entendimento 1. O cenário de convergência de redes é caracterizado: Pelo aumento do tráfego de dados. Pelo serviço de voz, que será exclusivamente VoIP. Por diversos fatores entre os quais o aumento do tráfego de pacotes e a oferta de vários serviços. Pelo crescimento de serviços de Rede Inteligente. 2. A caracterização do tráfego se faz: Usando a fórmula de Erlang. Quantificando o serviço pela sua taxa de chegada e grau de utilização. Conhecendo-se a HMM. Quantificando-se o serviço pela sua taxa de chegada e tempo de utilização. 3. Os indicadores de qualidade de serviço: São os mesmos para todos os serviços oferecidos na rede. São menos restritivos para serviços em tempo real. Não são necessários no cenário de convergência. Dependem da aplicação sendo mais restritivos para aplicações em tempo real. 11

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