QoS em Redes. Paulo Aguiar NCE/IM UFRJ

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1 QoS em Redes Paulo Aguiar NCE/IM UFRJ

2 Conteúdo Motivação: novas aplicações e necessidades de QoS (2h) Análise de TCP e configuração de parâmetros para desempenho (2h) Noções de teoria de filas e técnicas ativas de gerenciamento de buffer (2h) Arquiteturas de QoS: Serviços Integrados (RSVP) e Serviços Diferenciados (4h) QoS em rede local: recomendações e exemplos (1h) Políticas de priorização de filas em roteadores (4h) Implantação de QoS para VOIP: recomendações de boa prática (2h) Prática: laboratório de QoS (2h) Prova: (2h)

3 Prática: Laboratório de QoS Configuração de QoS em roteadores: aula preparatória Desempenho de VoIP em ambiente com e sem QoS Ativação de diferentes políticas de filas (FCFS, WFQ, PQ) em roteadores e switches de uma rede local, avaliando o desempenho para tráfego prioritário e não prioritário

4 Motivação para QoS Evolução nos últimos anos Processadores poderosos de baixo custo Sistemas de disco de grande largura de banda (RAID) com banda de Gbps Sistemas gráficos (1024x1024x32) a 30 fps = 1 Gbps Uso amplo de fibras óticas Telefonia digital Arquitetura de redes e interconexão em alta velocidade Resultado Equipamentos em condições de gerar alto tráfego Necessidade de suportar integração de serviços

5 Evolução nas Corporações Cenários Manipulação de Informação digitalizada Voz e vídeo Vídeo e teleconferência Telefonia sobre IP VPNs corporativas Acesso remoto de alta velocidade entre filial e matriz ou para acesso individual a recursos centralizados da corporação Pressão de demanda de banda e qualidade nos backbones dos provedores

6 Informação Digitalizada Cheque digitalizado Gráfico não comprimido Ressonância magnética Chapa de raios-x Documentos de seguro kbps 256 kbps 1,5 Mbps 8 Mbps 50 Mbps

7 Vídeo e Teleconferência HDTV sem compressão: 1,5 Gbps HDTV, formato interim: 360 Mbps SDTV (SMPTE): 270 Mbps MPEG-2 comprimido: Mbps MPEG-2 (HDTV de difusão): 19,4 Mbps SDTV (MPEG-2): 6 Mbps MPEG-1: 1,5 Mbps MPEG-4: 5kbps 4Mbps H.323 (H.263): 28 kbps 1 Mbps

8 Telefonia na Rede Arquiteturas PBXs conectados via gateways IP Voz sobre IP (VOIP) Soft PBXs Codecs G (5,3 Kbps ACELP) -6,3 Kbps MLQ) G.729, G.729A (8 Kbps CS-ACELP) G.728 (16 Kbps LD-CELP) G.711 (64 Kbps PCM) Impacto na rede pode ser significativo se um número elevado de sessões de voz ocorrer simultaneamente Qualidade da voz sensível a jitter, atraso e perdas

9 Aplicações IP Avançadas Colaboração interativa de alta qualidade Acesso em tempo real a recursos remotos, como microscópios e telescópios Colaboração em larga escala entre centros científicos, envolvendo data mining e computação distribuída Realidade virtual compartilhada Aplicações de data grid: computação distribuída Biológica, médica, geofísica, física, etc

10 Requisitos de Banda Teleconferência Visualização interativa Computação distribuída Acesso multimídia a banco de dados TV de alta definição Telefonia 1-10 Mbps Mbps 1-10 Gbps 1 Mbps- 1 Gbps 150 Mbps 1 Gbps kbps

11 Internet/Intranet Usos Usuários com acesso em alta velocidade Tráfego Web interativo Aplicações baseadas em Web Arquitetura P2P (Peer-to-Peer) Aplicações baseadas em servidor Consequência Geram pacotes grandes e são potenciais provocadores de congestionamento nos pontos de concentração de tráfego Pacote Web 1 Kbytes Pequenos pacotes de tráfego interativo, com pouca demanda de banda, acabam sofrendo atrasos inesperados

12 Síntese Voz é uma aplicação vital em qualquer cenário dos próximo anos Killer application Tráfego de tempo real terá que conviver com altas taxas de transferências das outras aplicações em pequenos ou longos intervalos de tempo Desafio para a rede convergente Como garantir a qualidade de serviço para os tráfegos críticos?

13 Requisitos de QoS para Áudio Interativo RTT limitado (< 300 ms, recomendação do ITU-T ) Baixa banda por sessão Compressão e supressão de silêncio podem diminuir ainda mais a banda utilizada Codecs de maior complexidade exigem mais poder computacional G.723 (alta) G.729 (alta) G.728 (média) G.711 (baixa) Baixo jitter Buffer de compensação de jitter nas pontas prejudica interatividade, pois conta no RTT Baixa perda Qualquer perda afeta a qualidade percebida Desejável abaixo de 1%

14 Requisitos de QoS para Vídeo Interativo Dependem do tipo de aplicação, se crítica ou não Uma operação médica a distância tem requisitos extremos de qualidade do vídeo e do aúdio Baixíssima perda, baixo jitter, atraso limitado Requisitos de banda dependerão do formato e do tamanho da tela de vídeo sendo transmitida, mas nessas aplicações será elevado Uma teleconferência pode suportar perdas eventuais de pacotes de vídeo sem prejudicar substancialmente a aplicação Baixa perda, baixo jitter, atraso limitado Qualidade inferior do vídeo requer menor banda

15 Produto Delay x Bandwidth (PDB) Representa a quantidade mínima de bits que devemos ter em transmissão sem confirmação para termos chance de alcançar a banda máxima Em redes locais, PDB = 10K a 50K bits atraso = 1 ms, banda = 10 Mbps a 50 Mbps Na WAN, PDB = 400K bits atraso = 200 ms, banda = 2 Mbps Na WAN de alta velocidade, PDB = 4M bits atraso 200ms, banda = 20 Mbps Boa prática recomenda que espaço em buffer em roteadores intermediários seja pelo menos o PDB para a conexão PDB alto pode prejudicar desempenho de protocolos que não foram desenvolvidos para este cenário

16 O que pode dar errado na rede? Tipos de Falhas Erro a nível de bit Falhas nos enlaces e nos nós Fila em congestionamento Atrasos altos Jitter alto Perda de pacotes ou quadros

17 Controle de Congestionamento Se entrada de tráfego não é controlada Filas nos enlaces congestionados crescem Espaço nos buffers acaba Pacotes são descartados Retransmissões provocam mais congestionamento, vazão tende a zero e posso cair em deadlock vazão overhead de controle deadlock carga oferecida

18 Controle de Congestionamento Opções Pré-alocar recursos para evitar congestionamento Envie dado e tente minimizar congestionamento Fonte 1 Router 10 Mbps Ethernet 2 Mbps E1 Destino Fonte 2 Fast Ethernet

19 Controle de Congestionamento Implementação em dois pontos No host na ponta (protocolo de transporte) Nos roteadores dentro da rede Implementações Centrada no roteador versus centrada no host Baseada em reserva versus baseada em feedback Baseada em janela versus baseada em taxa feedback

20 Transmissão de Dados TCP protocolo padrão Tráfego TCP corresponde a mais de 80% do tráfego de uma rede multimídia típica FTP, HTTP, SMTP, SNMP, etc Comportamento do TCP crucial para determinar congestionamento nas filas dos roteadores

21 TCP Usa o conceito de janela deslizante Tenta gerar incrementar sempre a banda ofertada, aumentando o tamanho da janela de transmissão à medida que recebe confirmações (ACKs) Assume que pacotes são raramente corrompidos por erros e que perda é devida a congestionamento Usa mecanismo de feedback, reduzindo a janela de transmissão face a indícios de congestionamento

22 ACK Sempre que um pacote é recebido no destino, um ACK é retornado, confirmando os bytes recebidos recebidos corretamente e em seqüência O ACK carrega na realidade a indicação do próximo byte esperado

23 Funcionamento do TCP Sempre que um pacote é transmitido, um time-out é disparado Quando ack do pacote chega, time-out é inibido Quando um pacote é perdido e os subseqüentes chegam ao destino, acks duplicados são gerados, solicitando a retx do pacote não recebido A chegada de acks duplicados força a retx do pacote perdido, cancelando estouro do time-out

24 Reação a Perda A perda eventual de um pacote, que é sentida pela recepção de três acks duplicados, força a redução da oferta de tráfego a metade O estouro de um time-out indica um forte congestionamento (perda de pacotes em rajada) e força a conexão TCP a reiniciar com oferta de banda mínima

25 Comportamento do TCP Vazão ocorre em dente de serra Quando há congestionamento, vazão é reduzida drasticamente, entrando em Slow Start Congestion window Kbytes três acks duplicados Time-out tempo Referência RFC2001, TCP Slow Start, Congestion Avoidance, Fast Retransmit, and Fast Recovery Algorithms, Janeiro 1997

26 Controle do TCP Duas janelas de controle e um threshold Advertised Receiver Window Size (recwnd) Limitada pelo buffer de recepção no destino Valor inicial Informado na abertura da conexão TCP (SYN) Congestion window (cwnd) Inicializada com 1 (MSS bytes) Threshold Inicializado em bytes

27 Controle do TCP Janelas e acks referenciados em termos de bytes e usam unidades do tamanho máximo de segmento Maximum segment size (MSS) MSS limitado pelo MTU (maximum transmission unit) para evitar fragmentação Procedimentos de MTU discovery Em qualquer instante, a janela de transmissão (txwnd) = mín {recwnd, cwnd}

28 Princípios do TCP Procedimentos básicos Slow start Congestion avoidance Fast retransmit

29 Slow Start e Congestion Avoidance Slow Start Inicia com cwnd =1 (MSS) Incrementa cwnd a cada ack recebido, ou seja cresce exponencialmente até alcançar threshold, entrando em congestion avoidance Durante slow start temos cwnd < threshold Congestion Avoidance A partir daí aumenta linearmente, incrementando de 1 (MSS) a cada RTT, ou seja, ao receber um ack incrementa cwnd de 1/cnwd Incremento de cwnd pode não ser suficiente para permitir o envio de um pacote naquele instante Em congestion avoidance, cwnd > threshold

30 Importância do Cálculo do RTO Se o time-out for menor do que o RTT real na rede, haverá retransmissão desnecessária; Se o time-out for muito grande em relação ao real, em caso de congestionamento severo, a reação a este congestionamento será mais lenta, pois dependerá do time-out.

31 Cálculo do RTO A cada ACK recebido, pode-se calcular o RTT instantâneo M, que é o tempo entre o envio de um pacote pelo TxTCP e o recebimento do ACK correspondente; Y = M - A D D + 0,25 * ( Y - D) A A + 0,125 * Y RTO = A + 4D Inicialmente, A = 0, D = 0 e M igual a RTT medido pelas primitivas iniciais de SYN Nas fórmulas acima, A é o valor suavizado do RTT e D é o valor suavizado do desvio médio.

32 Cenário Esperado O cálculo de RTO espera que a variação de RTT seja grande na rede Caso RTT tenha pequenas variações apenas num tempo longo, RTO tende a se aproximar do RTT instantâneo Tempo de propagação grande e pequenas filas nos hops intermediários Nestas condições, qualquer atraso repentino na chegada de um ACK acarreta estouro do RTO

33 Comportamento Adicional do TCP Um novo valor de recwnd no receptor pode ser repassado a fonte num pacote de ACK, a qualquer instante durante uma sessão TCP Nas implementações, para minimizar tráfego, ACKs são atrasados e um único ACK pode confirmar dois pacotes recebidos corretamente

34 Problemas com TCP Tráfego nos roteadores chega em rajadas e descarte simultâneo ocorre nas conexões TCP compartilhando o gargalo Ocorre sincronização global Todos reagem no mesmo instante reduzindo a banda; eventualmente todos passam por Slow Start Tráfego no enlace oscila, utilização do link cai e vazão individual de cada TCP fica abaixo da fatia equânime (fair share) esperada

35 Problemas com TCP Congestionamento afetando muitas ( > 100) conexões TCP pode levar a ineqüidade na captura da banda Algumas conexões recebem bem mais do que outras em um tempo longo Referência: R. Morris, TCP Behavior with Many Flows, IEEE International Conference on Networks, Outubro 1997

36 Problemas com TCP Sempre incrementando alocação de banda e, conseqüentemente, possibilidade de congestionamento Retransmissões frente a congestionamento só realimentam o processo de degradação Vazão prejudicada quando perdas devido ao meio são interpretadas como congestionamento Ambiente de redes sem fio (redes wireless) Quando RTT é elevado (ex.: satélite), realimentação é lenta e retx gera ineficiência Usar FEC é solução

37 Detalhes de TCP

38 Detecção de Congestionamento Congestionamento é detectado por time-out ou recepção de acks duplicados Ocorrência de ACKs duplicados Pacote é perdido, mas pacotes subseqüentes chegam ao destino, gerando acks iguais e duplicados, indicando que o pacote perdido é o próximo a ser esperado no receptor Causas de time-out Perda de pacotes consecutivos, impedindo que acks sejam gerados no destino Perda de acks consecutivos na rota reversa, do destino à fonte

39 Reação a Acks Duplicados Quando o primeiro ack duplicado chega, nada acontece no transmissor Quando o terceiro ack duplicado é recebido, o pacote faltante é retx (Fast Retransmit), faz threshold = txwnd/2 e passa a usar cwnd=threshold + 3 Enquanto ack deste pacote não chega, cwnd aumenta de 1 a cada novo ack duplicado recebido Os outros pacotes enviados estão sendo armazenados no destino para entrega, após o pacote faltante chegar Após chegada do ack esperado (após RTT), fazemos cwnd=threshold e entramos em congestion avoidance

40 Exemplo Passo a Passo A fonte inicia operando com cwnd=w, e os pacotes [u,u+w-1] são transmitidos Temos w pacotes em trânsito e acks chegarão após RTT; assuma que apenas o pacote u se perde Receptor envia ack (u) a cada pacote recebido (do u+1 em diante), indicando que ainda espera receber o pacote u; serão w-1 acks a serem enviados Pacotes fora de ordem no receptor são armazenados, sem serem repassados para a aplicação Ao receber os três primeiros acks duplicados, a fonte retx o pacote u e faz threshold= w/2 e cwnd=w/2 + 3 Enquanto o ack referente ao pacote u não retorna, a fonte irá incrementar cwnd de 1 a cada ack duplicado recebido

41 Exemplo Passo a Passo Ao final da recepção dos w-4 acks duplicados pendentes, temos cwnd = w/2+3+w-4 = w + w/2-1, permitindo que os pacotes [u,u+w+w/2-2] tenham sido transmitidos; Destes, apenas w/2 1 pacotes são realmente transmitidos, pois os w pacotes [u, u+w 1] já haviam sido transmitidos anteriormente As chegadas dos primeiros w/2 acks duplicados então serve para dar tempo ao gargalo para esvaziar a fila Ao chegar o ack (u+w), que confirma do pacote u ao pacote u+w-1, a fonte faz threshold = cwnd = w/2 e passa a operar em congestion avoidance Os pacotes sem confirmação são [u+w,u+w+w/2-2] e os que estão na janela de transmissão são [u+w, u+w+w/2-1], permitindo a transmissão do pacote (u+w+w/2-1), que é exatamente o pacote que ainda não foi transmitido A partir deste ponto as transmissões são retomadas gradual e corretamente pelo mecanismo do congestion avoidance

42 Reação a Time-out no Transmissor Retransmite pacote, faz threshold = txwnd/2, cwnd = 1 e entra em Slow Start Implementações de TCP, em geral, tratam um time-out por vez para um mesmo pacote Se outros pacotes já transmitidos anteriormente dentro da janela estouram o time-out, eles serão retransmitidos e o TCP repete o procedimento acima, forçando nova diminuição do threshold

43 Exemplo: Estouro de Temporizador ou Time-Out (RTO) Suponha txwnd=cwnd= w, ou seja, pacotes [u, u+w-1], estão pendentes num certo instante e a recepção de acks é interrompida, apesar dos pacotes terem chegado OK no destino RTO (u) estoura e pacote u é retx, entrando em slow start com cwnd = 1, threshold = w/2 e janela de transmissão = [u,u] Observe que a janela de transmissão recua Suponha que RTO (u+1) estoure Numa implementação inteligente, como o pacote (u+1) está fora da janela, este estouro pode ser ignorado, evitando entrar novamente em slow start com cwnd = [u,u] e threshold = w/4. Com RTOs estourando sucessivamente, caso não procedamos como indicado, o threshold iria baixar exponencialmente até atingir 1, quando passaríamos a operar com cwnd=threshold=1 Situação drástica que pode ocorrer com RTT alto e com pequena variância de atraso, provocando uma estimativa de RTO muito próxima ao RTT real A chegada do ack (u+w), fará o TCP entrar em congestion avoidance, com cwnd=2, janela = [u+w, u+w+1] e threshold=w/2, que é adequado

44 Referências para TCP Stevens, W. Richard, TCP/IP Illustrated, Volume 1 The Protocols, Addison-Wesley, 576 páginas, 1994 RFC-793, Transmission Control Protocol, 1981 RFC-1323, RCP Extensions for High Performance, 1992 RFC-2001, TCP Slow Start, Congestion Avoidance, Fast Retransmit, and Fast Recovery Algorithms, 1997 RFC-2018, TCP Selective Acknowledgement Options,1996 RFC-2581, TCP Congestion Control, 1999 RFC-3168, The Addition of Explicit Congestion Notification (ECN) to IP, 2001 RFC-3360, Inappropriate TCP Resets Considered Harmful, 2002 RFC-3390, Increasing TCP's Initial Window, 2002 RFC-3449, TCP Performance Implications of Network Path Asymmetry, 2002 RFC-3481, TCP over Second (2.5G) and Third (3G) Generation Wireless Networks, 2003