04.03 Quality of Service (QoS)

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1 04.03 Quality of Service (QoS) Redes de Serviços e Comunicações Multimédia RSCM/ISEL-DEETC-SRC/2004 1

2 Necessidade de QoS Uma medida colectiva da qualidade de serviço Para uma aplicação Critérios: Disponibilidade Capacidade Tempo de estabelecimento de uma ligação Tempo de transmissões com sucesso Velocidade da detecção e correcção de falhas Medidas: Largura de banda Perdas de pacotes Atraso Variação do atraso RSCM/ISEL-DEETC-SRC/2004 2

3 QoS Fim-a-Fim A qualidade de serviço tem de ser de uma ponta à outra Todas as redes pelo caminho têm de suportar QoS SLA Service Level Agreements SLAs entre diferentes operadores Definem o tipo e a qualidade de serviço a ser fornecida Ou as retribuições em caso de falha VoIP e Voz sobre Internet Não são a mesma coisa Podem ser definidos SLAs entre diferentes operadores de VoIP Não existe QoS até todos os operadores definirem políticas de qualidade semelhantes RSCM/ISEL-DEETC-SRC/2004 3

4 QoS fora da rede Mais que uma boa qualidade de voz Custos elevados para obter novos clientes Os operadores não querem perder clientes Meios Serviço de qualidade Aprovisionamento rápido Billing correcto Descrições precisas e concisas dos produtos Etc. RSCM/ISEL-DEETC-SRC/2004 4

5 Soluções de QoS Reservar o recurso antes de estabelecer a sessão semelhante à comutação de circuitos Categorizar o tráfego em diferentes classes ou prioridades Obter mais largura de banda quando a existente já não chega provavelmente a técnica mais utilizada RSCM/ISEL-DEETC-SRC/2004 5

6 Mais largura de banda Simples e dispendioso Mudança sem grandes problemas Sobredimensionamento desnecessário Actualmente a largura de banda tem vindo a custar menos e a aumentar o limite Com o aumento da largura de banda aparece sempre uma nova aplicação que a usa ao máximo RSCM/ISEL-DEETC-SRC/2004 6

7 Protocolos e Arquitecturas de QoS RSVP Resource Reservation Protocol RFC 2205 Pertence ao pacote Integrated Services do IETF Permite que os recursos para uma sessão sejam reservados É a solução mais complexa e que mais se assemelha à comutação de circuitos Garantias de QoS Granularidade de atribuição de recursos Feedback para as aplicações e utilizadores Dois níveis de serviço Guaranteed O mais semelhante a emulação de circuitos Controlled Load Equivalente ao best-effort numa rede sem carga RSCM/ISEL-DEETC-SRC/2004 7

8 RSVP O emissor envia uma mensagem PATH para o destino Contem uma especificação do tráfego (TSpec) Cada router RSVP pelo meio Estabelece um estado com o hop anterior O receptor da mensagem PATH Responde com uma mensagem RESV Contém um flowspec (um TSpec e o tipo do serviço de reserva) A mensagem RESV vem de volta ao emissor Pelo mesmo caminho O recurso é reservado em cada router (permite o funcionamento de Multicast) PATH RESV RESV PATH RSCM/ISEL-DEETC-SRC/2004 8

9 Differentiated Service Define meios para definir prioridades para diferentes tipos de tráfego RFC 2475 Usa o ToS (Type Of Service) no IPv4 Traffic Class no IPv6 Conhecido como DS field Marca um determinado fluxo para lhe ser atribuído um determinado tipo de encaminhamento (Per-hop behavior PHB) Expedited Forwarding (EF) Assured Forwarding (AF) RSCM/ISEL-DEETC-SRC/2004 9

10 Diffserv Expedited Forwarding RFC 3246 e revisto no RFC 3247 A um determinado fluxo de tráfego é atribuído um mínimo de débito de saída que deve ser superior ao débito de chegada no mesmo nó Débito de chegada < que o máximo acordado Elimina os atrasos de queuing Garante que o atraso e o jitter são minimizados Equivalente a uma linha alugada virtual RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

11 Diffserv Assured Forwarding RFC 2597 Os pacotes de determinada fonte são encaminhados com uma alta probabilidade desde que não ultrapassem o máximo acordado Define quatro classes Cada classe reserva um conjunto de recursos num router Define três taxas de perdas de pacotes por classe Quando existe congestão numa classe, os pacotes com taxa de perdas mais alta são descartados primeiro RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

12 Label Switching Marcar o tráfego como no DiffServ MPLS Multi Protocol Label Switching Marca o tráfego à entrada na rede Permite determinar a informação sobre o próximo salto Adiciona uma etiqueta ao cabeçalho IP FEC Forwarding Equivalente Class Todos os pacotes de uma FEC são tratados da mesma forma A largura de banda pode ser definida no início de uma sessão Semelhante ao estabelecimento de circuitos virtuais ATM RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

13 Políticas de QoS Níveis de QoS As políticas de QoS definem como são usados os mecanismos (IntServ, DiffServ, MPLS) Pagar mais para ter melhor serviço Funções de autenticação Regras que especificam que circunstâncias levam a um nível de QoS COPS Common Open Policy Service protocol RFC 2748 Policy Enforcement Point (PEP) Policy Decision Point (PDP) RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

14 RSVP Resource Reservation Protocol RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

15 Introdução Funções em routers e máquinas Controlo de políticas Controlo de admissão Classificador de pacotes Escalonador de pacotes Controlo de tráfego Controlo de admissão + Classificador de pacotes + Escalonador de pacotes RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

16 Sintaxe RFC 2215 O RSVP é utilizado para implementar serviços identificados por números Service number 2 Guaranteed Service Service number 5 Controlled-Load Service Service number 1 Comum aos serviços Conjunto de parâmetros Formato TLV (Type-Lenght-Value) RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

17 Estabelecimento de Reserva Reserva recursos do receptor até ao emissor Pensado no multicast Reserva recursos apenas num sentido Mensagem PATH TSpec Mensagem RESV Flowspec As respostas de RSVP podem ser alteradas de forma a garantir o QoS a todos os destinos flowspec merge RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

18 TSpec Também é incluído nas mensagens RESV Especifica um token bucket Bucket size, b Token rate, r O pacote só é transmitido se o número de tokens no balde for maior ou igual que o pacote Peak Rate, p p > r Tamanho máximo do pacote, M Unidade mínima de policiamento, m Todos os pacotes abaixo de m bytes são sempre considerados como sendo m O overhead a processar cada pacote Limita o overhead da camada data-link Número de parâmetro 127 RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

19 Flowspec Indicação do serviço requisitado (GS ou CL) Para o serviço Controlled-load service Contém um TSpec Para o Guaranteed service Um TSpec Rate Term (R) a largura de banda necessária R >= r, a largura de banda extra diminui os atrasos do queuing Slack Term (S) Número de micro segundos que indicam a diferença entre o atraso desejado e o atraso que pode ser conseguido se o débito R for utilizado Usado para reduzir os recursos reservados RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

20 Filter Spec Uma sessão RSVP Endereço de destino e identificador protocolo Número do porto (opcional) Não existe informação sobre o emissor Surgem problemas a identificar o fluxo de dados para determinada reserva Define o fluxo a que uma determinada QoS deve ser aplicada Endereço IP do emissor e o número do porto do emissor (opcional) Para uma conferência inclui os diferentes requisitos de QoS de cada fluxo Os routers pelo caminho devem examinar o cabeçalho Os pacotes IP no fluxo não devem ser fragmentados Usar o Path MTU Discovery Mecanismos de segurança podem cifrar o cabeçalho O RSVP terá de suportar isso É incluido nas mensagens PATH ou RESV Também conhecido como sender template (nas mensagens PATH) RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

21 ADSpec PATH (TSpec) RESV (flowspec) Serve para o receptor ser informado das características da rede Ele não pode pedir o que a rede não suporta O emissor e os routers Indicam as suas capacidades de QoS O emissor constrói o ADSpec inicial Cada router actualiza o ADSpec Pode indicar que um ou mais routers não suportam RSVP Indica o número de saltos entre nós que suportam RSVP O MTU e largura de banda do caminho A latência mínima do caminho Latência quando não existe atraso no queuing RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

22 Mensagens RSVP Path (1) Resv (2) PathErr (3) ResvErr (4) PathTear (5) ResvTear (6) ResvConf (7) Cabeçalho Comum Cada mensagem contêm um número de objectos Tspec, flowspec, etc. O cabeçalho Send_TTL tem significado igual ao TTL do IP mas é decrementado por cada router RSVP Byte 0 Byte 1 Byte 2 Byte 3 Length Conteúdo do Objecto... Class-num Formato dos objectos C-type RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

23 Mensagens RSVP - Classes SESSION Class Class-num = 1 C-Type = 1, IPv4; 2, IPv6 Endereço IP de destino, ID do protocolo e o porto de destino (opcional) FLOWSPEC Class Class-num = 9 C-Type = 2 SENDER_TEMPLATE Class Class-num = 11 C-type= 1, IPv4; 2, IPv6 Ex.: um filterspec numa mensagem PATH RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

24 Mensagens RSVP - Classes RSVP_HOP Class O endereço IP da interface pela qual o último nó com capacidades de RSVP mandou a mensagem Usado nas mensagem PATH e gravados em cada nó Garante que a mensagem RESV usa o mesmo caminho no retorno Class-num = 3 C-type= 1, IPv4; 2, IPv6 TIME_VALUES Class Um timeout em milissegundos para a mensagem Class-num = 5 RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

25 Mensagens RSVP - Classes ERROR_SPEC Class Nas mensagens de erro do RSVP O endereço IP do nó onde o erro foi detectado Um código de erro e informação adicional Class-num= 6 C-type= 1, IPv4; 2, IPv6 STYLE Class Selecciona diferentes estilos de reserva Múltiplos recipientes e/ou múltiplos emissores Fixed-filter style: um receptor identifica unicamente um emissor Wildcard-filter: para todos os fluxos de todos os emissores Shared-filter: lista emissores específicos Class-num = 8; C-type = 1 RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

26 RSVP Exemplo RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

27 Erros na reserva A reserva de um recurso falha Uma mensagem de erro é retornada As mensagens PathErr são enviadas para o emissor As mensagens ResvErr são enviadas para o receptor Ao qual a reserva falhou RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

28 Guaranteed Service RFC 2212 Dois elementos Sem perdas de pacotes Uma função da profundidade do token bucket (b) e do token rate (r) Garantir o atraso mínimo Atraso fixo no processamento Atraso de queuing RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

29 Controlled-Load Service Aproximação ao QoS que uma aplicação iria receber se os dados fossem transmitidos numa rede com pouca carga Percentagem elevada de pacotes entregues Não excede o atraso mínimo Não identifica características específicas dos elementos da rede que devem ser minimizadas Oferecer a largura de banda e espaço em buffers necessário para suportar o TSpec Um flowspec para o serviço CL é apenas um TSpec RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

30 Remoção de Reservas Explicitamente por um emissor ou receptor PathTear Em direcção aos recipientes Apaga todos os path states e reservation states ResvTear Mesmo que o PathTear mas agora no sentido dos emissores Apaga apenas os estados referentes ao receptor Por timeout As reservas têm de ser renovadas em intervalos regulares As mensagens contêm um período de renovação no objecto TIME_VALUES RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

31 DiffServ RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

32 Introdução RSVP O mecanismo mais completo de QoS Semelhante à comutação de circuitos Os routers com RSVP mantêm estado Overhead significante e dificuldade em escalar QoS e largura de banda Aumentar a QoS é aumentar a largura de banda RSVP reserva recursos O DiffServ oferece a uma aplicação melhor QoS em troca de diminuir a QoS oferecida a outra aplicação RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

33 Arquitectura O IPv4 tem um campo TOS (Type of Service) e o IPv6 tem o Traffic Class O DiffServ renomeia estes campos para DS field Os seis bits menos significantes DSCP ECN Os pacotes são tratados de acordo com o DSCP (DS Codepoint) Per-hop-behaviour RFC 2475, revisto no RFC 3260 RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

34 Funcionamento Os pacotes de um fluxo São marcados com um valor DSCP Os routers fornecem o PHB O perímetro da rede garante que Apenas os pacotes qualificados são marcados Medições para medir o débito dos pacotes Que o tráfego está de acordo com um determinado perfil Traffic Shapping e descarte Estas funções são chamadas de traffic conditioning RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

35 Necessidade de SLAs Uma determinada rede e origem de pacotes têm de acordar em Classificação de pacotes Acondicionamento de tráfego As funções podem ser implementadas Na origem Num edge router SLAs entre operadores e clientes Uma definição do perfil de tráfego Uma especificação token bucket A classificação e regras de marcação Baseada em combinações do endereço de origem, endereço de destino, porto de destino, ID do protocolo, atraso Comportamentos para cada valor de DSCP Especifica também o comportamento para tráfego fora do perfil SLAs entre diferentes operadores Um conjunto comum de politicas e defenição de PHBs RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

36 Per-Hop Behaviour O tratamento que um router DS aplica a um pacote com um determinado valor de DSCP Um agregado O conjunto de fluxos de um nó para o próximo que partilham o mesmo DSCP codepoint A configuração PHB é aplicada ao agregado Dois PHBs são especificados Expedited Forwarding Assured Forwarding RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

37 Expedited Forwarding Um serviço com baixas perdas de pacotes, baixo atraso e baixo jitter Através do minimizar do atraso de queuing em cada nó O débito de envio de pacotes é um mínimo conhecido O débito da recepção é sempre inferior As funções de traffic-conditioning no perímetro da rede são importantes O valor do DSCP é RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

38 Expedited Forwarding Implementações Implementado através de diferentes prioridades para as filas de espera Pode tornar a performance do tráfego não-ef inaceitável É necessária uma implementação que não afecte demasiado o outro tráfego Token bucket Escalonador Weighted Round Robin A implementação pode influenciar o jitter RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

39 Assured Forwarding RFC 2597 Pacotes de alta prioridade são encaminhados com maior fiabilidade O tráfego que entra numa determinada rede DiffServ deve estar de acordo com um determinado perfil São atribuídos recursos a determinado agregado de tráfego Diferentes níveis de garantias de encaminhamento Os pacotes são marcados com diferentes classes AF Dentro de cada classe os pacotes são marcados com diferentes prioridades de descarte Se os recursos atribuídos a uma determinada classe ficam congestionados o router descarta os pacotes com maior prioridade de descarte RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

40 Assured Forwarding Classes Quatro classes e três níveis de precedência de descarte Prioridade de descarte Classe 1 Classe 2 Classe 3 Classe 4 Baixa Média Alta RSCM/ISEL-DEETC-SRC/

41 Assured Forwarding Implementação Tem de detectar e responder a uma congestão continuada na rede através do descarte de pacotes Tem de responder a congestões curtas através do queuing Uma função Monitorizar as congestões curtas Deitar pacotes fora se necessário Tem de tratar analogamente todos os pacotes de determinada classe e nível de precedência Todos os fluxos devem ter a mesma taxa de descarte Não pode reordenar pacotes AF dentro da mesma classe AF independentemente da sua precedência RSCM/ISEL-DEETC-SRC/