Protocolos Multimídia na Internet

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1 Parte 3 QoS em Redes IP V4 Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian adriano@acmesecurity.org Adriano César Ribeiro (estagiário docente) adrianoribeiro@acmesecurity.org Tópicos em Sistemas de Computação 1 Oferecendo QoS em Redes IP q Os grupos do IETF estão trabalhando em propostas para fornecer melhor controle de QOS em redes IP. Isto é, para superar o serviço de melhor esforço, e prover alguma garantia de QoS q Trabalho em progresso inclui RSVP, Serviços Diferenciados, e Serviços Integrados. q Modelo simples para estudos de compartilhamento e de congestionamento: Enlace de 1,5 Mbps Fila de interface de saída de R1 Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 1

2 Os 4 princípios Veremos 4 princípios para garantias de QoS q 1. Marcação de pacotes q 2. Isolamento q 3. Eficiência no uso dos recursos q 4. Admissão de chamada Princípios para garantias de QoS (1) q Considere uma aplicação de telefonia a 1Mbps e uma aplicação FTP compartilhando um enlace de 1.5 Mbps. Rajadas de tráfego FTP podem congestionar o roteador, e fazer com que pacotes de áudio sejam perdidos. Deseja-se dar prioridade ao áudio sobre o FTP q PRINCÍPIO 1: Marcação dos pacotes é necessária para o roteador distinguir entre diferentes classes. Assim como novas regras de roteamento para tratar os pacotes de forma diferenciada. Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 2

3 Princípios para garantias de QoS (2) q Aplicações mal-comportadas : áudio envia pacotes numa taxa superior a 1 Mbps anteriormente assumida. q PRINCÍPIO 2: Fornecer proteção (isolamento) para uma classe em relação às demais. q Exige mecanismos de policiamento para assegurar que as fontes aderem aos seus requisitos de banda passante. q Marcação e policiamento precisam ser feitos nas bordas da rede. Princípios para garantias de QoS (3) q Alternativa à marcação e policiamento: alocar uma porção da taxa de transmissão a cada fluxo de aplicação. Pode produzir um uso ineficiente da banda se um dos fluxos não usa toda a sua alocação. q PRINCÍPIO 3: Ainda que se forneça isolamento, é necessário usar os recursos da forma mais eficiente possível. marcação de pacotes enlace lógico de 1 Mbps enlace lógico de 0,5 Mbps Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 3

4 Princípios para garantias de QoS (4) q Não deve ser aceito tráfego além da capacidade do enlace. q PRINCÍPIO 4: É necessário um processo de admissão de chamada. q A aplicação declara a necessidade do seu fluxo, e a rede pode bloquear a chamada se a necessidade não pode ser satisfeita. q Se não puder atender a exigência, não desperdiça banda fornecendo algo insuficiente. Resumo: QoS para aplicações em redes Classificação de pacotes Isolamento: programação e policiamento Alta eficiência de utilização Admissão de chamadas Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 4

5 QoS na Internet IETF - Internet Engineering Task Force q Duas abordagens do para fornecimento de QoS na Internet: Intserv e Diffserv q Grupos de Trabalho (relacionados a QoS) Serviços Integrados (IntServ) Serviços Diferenciados (DiffServ) MPLS (Multiprotocol Label Switching) Engenharia de Tráfego Roteamento baseado em QoS (encerrado) Serviços Integrados Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 5

6 Serviços Integrados (IntServ) q IntServ = RFC 1633 q Visão de Serviços Integrados Serviço de melhor esforço + Serviço de tempo real + Compartilhamento de enlace controlado q Cada nó entre fonte e destino mantém informações de estado e encaminhamento para garantir QoS. Serviços integrados q Uma arquitetura do IETF para prover garantias de QoS em redes IP para sessões individuais de aplicações. q Confia em reserva de recursos, e os roteadores necessitam manter informação de estado, com um registro dos recursos alocados, e respondendo a novos pedidos de conexões de acordo com o estado da rede. Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 6

7 Arquitetura IntServ q Duas características-chave: q Recursos reservados Os roteadores necessitam saber qual quantidade de seus recursos já está reservada para as sessões em andamento. q Estabelecimento de chamada Também conhecido como admissão de chamada. Uma sessão que exige QoS deve estar habilitada a reservar recursos em cada roteador da rede em seu trajeto fonte-destino para garantir que suas exig6encias fim-a-fim sejam atendidas. Admissão de chamadas (1) q A sessão deve primeiramente declarar seus requisitos, e caracterizar o tráfego que ela enviará através da rede. Isso é necessário para que o roteadores possam determinar se seus recursos são suficientes para atender ou não às exigências de QoS. q R-spec define a QoS sendo solicitada para uma sessão [ R de Reserve]. q T-spec define as características de tráfego que o remetente enviará à rede, ou que o destinatário irá receber da rede [ T de Trafic]. q Definidas parcialmente no RFC-2210 e RFC-2215 Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 7

8 Admissão de chamadas (2) q Roteadores aceitarão ou não aceitarão as chamadas com base nas suas R-spec e T-spec, e com base nos recursos correntemente alocados nos roteadores para outras sessões. 1. Pedido: especifica - Tráfego (T-spec) - Garantia (R-spec) 3. Resposta: o pedido pode ou não ser atendido 2. Elemento considera - recursos não reservados - recursos solicitados Sinalização para admissão de chamadas q É necessário um protocolo de sinalização para transportar a R-spec e a T-spec aos roteadores onde a reserva será solicitada. q RSVP é o melhor candidato para este papel de protocolo de sinalização. q RSVP é definido no RFC q Será visto adiante Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 8

9 O Modelo de Referência q Escalonador de pacotes Gerencia o encaminhamento dos fluxos Usa políticas de filas q Classificador Mapeia pacotes para classes (fluxos) q Controle de admissão Decide se existem recursos suficientes para permitir novas reservas q Protocolo de reserva de recursos (RSVP) Classes de serviços integrados: 1. QoS Garantido: esta classe é oferecida com controles estritos dos atrasos de filas nos roteadores. Projetada para aplicações de tempo real críticas, as quais são muito sensíveis ao atraso médio fim-a-fim e a sua variância. 2. Carga Controlada: esta classe fornece um QoS que aproxima bem aquele fornecido por um roteador não carregado. Projetada para as aplicações IP de hoje, as quais se comportam bem quando a rede não está sobrecarregada. Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 9

10 1. O servico de QoS garantido q Definido no RFC 2212 q O serviço oferece: Nível de largura de banda assegurado. Limite rígido (provado) de atraso fim-a-fim. Proteção contra perda de pacotes. q Destinado a aplicações com requisitos rígidos de tempo real, como aplicações intolerantes. q Todos os roteadores no caminho devem suportar o serviço para que ele seja possível fim a fim. q Usa balde de fichas para controlar taxa máxima. à Exercício: Estudar protocolo de Token Bucket. 2. O serviço de carga controlada q RFC 2211 q Semelhante ao serviço de melhor esforço em uma rede levemente carregada. q Não oferece garantias rígidas Alto percentual dos pacotes chegarão ao receptor. Atraso da grande maioria dos pacotes não deve exceder o atraso mínimo. q Maior parte das aplicações multimídia se enquadram nessa categoria q Também usa balde de fichas para controlar taxa. à Exercício: Estudar protocolo de Token Bucket. Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 10

11 RSVP - Resource reservation Protocol (1) q Trata-se do primeiro padrão industrial de protocolo para garantir QoS em redes heterogêneas. q O RSVP é um protocolo de sinalização que têm a capacidade de requisitar um determinado nível de QoS através da rede. q O RSVP carrega o pedido, passando por cada nó que a rede usa para transportar o fluxo de mídia. RSVP - Resource reservation Protocol (2) q O RSVP opera em conjunção com os protocolos de roteamento. NÃO é um protocolo de roteamento! q Também pressupõe algum tipo de política de escalonamento tipo WFQ - Weighted Fair Queing ou RED - Random Early Detection. Política de escalonamento deve ser implementada nos nós intermediários para permitir a reserva de recursos. Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 11

12 RSVP - Resource reservation Protocol (3) q Resource Reservation Protocol - RFC 2205 q Características: Unicast e multicast Reservas simplex - unidirecionais Receptor solicita a reserva (receiver-initiated) Estado leve (tem que fazer refresh periodicamente) q Mensagens PATH e RESV PATH instala informações de roteamento reverso. q Tornou-se um protocolo pesado. q Disponível em vários produtos comerciais. RSVP - Resource reservation Protocol (1) q O daemon RSVP, para efetuar a reserva de recursos num roteador, comunica-se com os módulos locais de controle de admissão e controle de política. q Controle de admissão determina se o nó tem capacidade para fornecer a QoS requisitada. q Controle de política determina se o usuário tem permissão administrativa para efetuar tal requisição. q O RSVP deve ser implementado nó a nó, portanto, enfrenta alguns problemas de escalabilidade. Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 12

13 Mensagens RSVP 2. Mensagem RESV 3. Fluxo de dados RSVP Receptor Transmissor 1. Mensagem PATH Problemas IntServ e RSVP q Problema: escalabilidade (já mencionado). q A quantidade de informação de estado cresce proporcionalmente ao número de fluxos que um roteador tem que tratar. Há sinalização a cada nó (sistema final ou roteador) para cada fluxo. Demandas enormes para os roteadores, principalmente para aqueles de núcleo. Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 13

14 IntServ - problema de escalabilidade: Muitos fluxos IntServ - a solução: Agregação de fluxos Serviços Diferenciados (DiffServ) Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 14

15 Differentiated Services - Diffserv Serviços diferenciados Differentiated Services - Diffserv q DiffServ: Planejado para resolver as dificuldades apresentadas pela arquitetura com Intserv. Escalabilidade: manter informações de estado nos roteadores em redes de alta velocidade é difícil, devido ao grande número de fluxos simultâneos. Modelos de Serviços Flexíveis: Intserv tem apenas duas classes. Deseja-se prover mais classes de serviços, com diferentes méritos qualitativos. Deseja-se manter uma distinção relativa entre as classes (Platina, Ouro, Prata, ) Sinalização mais Simples (que o RSVP): muitas aplicações e usuários podem desejar apenas especificar um serviço de forma mais qualitativa. Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 15

16 Serviços diferenciados Abordagem: q Apenas funções simples no interior da rede, e funções relativamente complexas nos roteadores de borda (ou nos hosts). q Não define classes de serviço. Ao invés disso, fornece componentes funcionais com os quais as classes de serviço podem ser construídas. Funções de borda q Executados num computador com funções de DS (serviços diferenciados), ou no primeiro roteador com funções de DS. q Classificação: o nó de borda marca os pacotes de acordo com regras de classificação a serem especificadas (manualmente pelo administrador ou por algum protocolo de sinalização). q Condicionamento de Tráfego: o nó de borda pode atrasar e então enviar, ou pode descartar. roteador central: envio roteador de borda: classificação condicionamento Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 16

17 Funções do Núcleo Central q Envio ocorre de acordo com PHB - Per-Hop- Behavior (comportamento por salto) especificado para aquela classe em particular Este PHB baseia-se estritamente na marcação de classe. Nenhum outro campo do cabeçalho pode ser usado para influenciar o PHB. q GRANDE VANTAGEM: Não há necessidade de manter informação de estado nos roteadores. Serviços diferenciados (DiffServ) q RFCs 2274 e 2275 q QoS na Internet para agregações de fluxos. q Resumindo: Sem estado para cada fluxo de dados. Sem sinalização para cada nó. q DS-Field Pacotes são marcados para receber serviços diferenciados nos Domínios DS Campo TOS do IPv4 ou Traffic Class do IPv6. Identifica o PHB (Per-Hop Behavior) Valores do DS-Field são chamados de DSCP - DiffServ Code Point. (Como veremos em seguida ) Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 17

18 Classificação e condicionamento (1) q Pacote é marcado no campo Tipo de Serviço (Type of Service - TOS) no IPv4, e Classe de Tráfego no IPv6. q 6 bits são usados para o Ponto de Código de Serviços Diferenciados ou DSCP - Differentiated Service Code Point: DSCP determina qual o PHB que o pacote receberá. q 2 bits são atualmente reservados. TOS no IP 32 Bits Version IHL Type of service Total length Time to live Identification Protocol D F Source address M F Destination address Fragment offset Header checksum Options (0 or more words) Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 18

19 Classificação e condicionamento (2) q Pode ser desejável limitar a taxa de injeção de tráfego em alguma classe. Usuário declara o perfil de tráfego (por exemplo taxa e tamanho das rajadas). q Tráfego é medido e ajustado se não estiver de acordo com o seu perfil. medidor pacotes classificador marcador ajuste corte enviar descartar Contratos e serviços q SLA: Service Level Agreement Contrato comercial bilateral. Identifica perfil de tráfego Exemplo: r = 1 Mbps, b = 100 Kb. q Nível de Serviço: tratamento global de um determinado subconjunto do tráfego de um usuário dentro de um Domínio DS, ou fim a fim. q PHBs + regras de policiamento = vários serviços. Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 19

20 Arquitetura de Serviços Diferenciados (Lógica) Fonte SLA: Service Level Agreement The image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory to open the image, or the image may have been corrupted. Restart your computer, and then open the file again. If the red x still appears, you may have to delete the image and then insert it again. SLA Destino SLA Domínio SLA SLA Domínio SLA Domínio Domínios proporcionam serviços especificados no SLA aos seus clientes Arquitetura de Serviços Diferenciados (Física) Policiamento de tráfego nos roteadores de borda The image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory to open the image, or the image may have been corrupted. Restart your computer, and then open the file again. If the red x still appears, you may have to delete the image and then insert it again. Roteadores internos dão tratamento aos pacotes de acordo com o PHB indicado no DSCP Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 20

21 Condicionamento de tráfego (1) q Classificador: seleciona os pacotes dentro de um fluxo através do cabeçalho (BA e MF). q Medidor: mede o fluxo para verificar se está de acordo com o perfil de tráfego contratado (SLA). q Marcador: grava determinado padrão de bits no codepoint (DSCP). q Suavizador (shapping): atrasa tráfego fora do perfil, para torná-lo dentro do perfil. Condicionamento de tráfego (2) Medidor Condicionador Pacotes Classificador Marcador Suavizador/ Descartador q Nem todos os quatro elementos precisam estar presentes em todos os nós de borda Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 21

22 Envio PHB q PHB resulta num comportamento diferente (mensurável) para o desempenho do envio de pacotes. q PHB não especifica quais mecanismos usar para assegurar um comportamento do desempenho. q Exemplos: Classe A obtém x% da taxa de transmissão do enlace de saída considerando intervalos de tempo de uma certa extensão. Pacotes de classe A partem primeiro, antes dos pacotes de classe B. Envio PHB PHBs que estão sendo estudados: q Envio Acelerado / Expedited Forwarding - EF: RFC 2598 Especifica que uma taxa de partida dos pacotes de uma dada classe deve ser igual ou maior que uma taxa especificada (garante um enlace lógico com uma taxa mínima). q Envio Assegurado / Assured Forwarding - AF: RFC classes, cada uma garantida com um mínimo de taxa de transmissão e armazenamento. Cada uma delas com três particionamentos para preferência de descarte dos pacotes. Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 22

23 Problemas com os Serviços Diferenciados... q AF e EF ainda não estão padronizados. Pesquisas em andamento. q Linhas dedicadas virtuais e serviços Olímpicos (classificação em ouro-pratabronze) estão sendo discutidos. q Estuda-se o impacto de atravessar múltiplos sistemas autônomos e roteadores, os quais não estão preparados para operar com as funções de serviços diferenciados. Exemplos de Serviços q Serviço Premium (PHB EF) emulação de linha dedicada a uma taxa de pico especificada q Serviço Platina (PHB AF) a rede parece estar levemente carregada para tráfego em perfil especificado (taxa e rajada) q Serviço Olímpico (PHB AF) serviço melhor relativo a quem paga menos semelhante ao serviço assegurado, mas com três classes de serviços: ouro, prata e bronze Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 23

24 Considerações finais sobre QoS Comparação Intserv e Diffserv (1) q Existe sobreposição, mas muitos aspectos são ortogonais entre as abordagens q Resolvem problemas diferentes. q Podem ser combinadas em um arquitetura integrada para QoS na Internet. q DiffServ e IntServ: oferecimento de garantias a fluxos através da priorização de tráfego q MPLS - Multiprotocol Label Switching: técnica de encaminhamento, que possibilita a fixação de caminhos. Não será estudado neste curso. Consulte: Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 24

25 Comparação Intserv e Diffserv (2) q QoSR - QoS Routing: Técnica de roteamento com QoS. Procura caminhos com as características de QoS que os fluxos necessitam. q Engenharia de Tráfego: não é uma técnica específica, mas um processo de gerenciar o tráfego na Internet. q É possível utilizar uma combinação de técnicas DiffServ, RSVP, QoSR e MPLS para efetuar a engenharia de tráfego. Propostas de Integração q Drafts da IETF (ou resultados de pesquisas) q QoSR em redes IntServ q Engenharia de tráfego com MPLS. q QoSR para Engenharia de Tráfego. q Integração entre DiffServ e MPLS. q Mapeamento entre DiffServ e IntServ. q RSVP para distribuir rótulos em MPLS. q RSVP para configurar rede DiffServ. Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 25

26 Resumo da arquitetura de QoS na Internet Aplicação Transporte Aplicação Transporte Aplicações com QoS API QoS Rede Interface de Rede IEEE 802.1p, ATM Frame Relay Rede sem fio Rede Interface de Rede IntServ/RSVP, DiffServ, MPLS, QoSR, TE QoS fim a fim Fornecedores Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 26

27 Cisco - q Líder no mercado de roteadores q Conceito de Tag Switching Comutação de rótulos, influenciou padrão MPLS q Cisco IOS QoS Gerenciamento de congestionamento: PB, CQ, WFQ Prevenção de congestionamento: WRED Condicionamento de tráfego: CAR IP Precedence (3 bits do campo TOS): DiffServ q Implementa DiffServ e RSVP Outras empresas q 3Com Voltada principalmente para switches Implementação de RSVP. q Extreme Networks Assumiu linha Core Builder 9000 da 3Com Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 27

28 Outras empresas q IBM Implementa DiffServ Desfez-se da área de redes q Juniper Networks Implementa DiffServ/MPLS Perguntas em aberto: q Como/quando/se o QoS irá funcionar em uma Internet completamente heterogênea? q Como se obtém QoS quando múltiplos domínios administrativos de trânsito (backbones distintos)? Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 28