Redes Multimídia. Qualidade de Serviço QoS. Prof. Emerson Ribeiro de Mello, Dr.

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1 Redes Multimídia Qualidade de Serviço QoS Prof. Emerson Ribeiro de Mello, Dr. Pós-Graduação em Redes de Computadores e Segurança de Sistemas UNIDAVI março de / 133

2 Plano de ensino Objetivos Caracterizar os diferentes tipos de aplicações multimídia e como estas atuam no transporte de mídias sobre a Internet. Apresentar os protocolos e mecanismos para prover garantias de qualidade de serviço. Utilizar ferramentas para modelagem de tráfego. Apresentar protocolos específicos a transmissão de voz sobre IP (VoIP). Implantar um serviço de telefonia IP através de aplicativos de código aberto. Ementa Caracterização das aplicações multimídia. Protocolos e mecanismos para prover qualidade de serviço. Introdução a filtro de pacotes com iptables e marcação de pacotes para aplicação de QoS. Protocolos para aplicações interativas. 2 / 133

3 Avaliação ˆ 75% de presença nas aulas ˆ 18 e 19 de março ˆ 01 e 02 de abril ˆ Listas de exercícios: L1 e L2 ConceitoFinal = L 1 + L / 133

4 Bibliografia James F. Kurose and Keith W. Ross Redes de computadores e a Internet: Uma nova abordagem. Addison-Wesley, Larry L. Peterson and Bruce S. Davie Computer Networks. A Systems Approach, 4 edition Morgan Kaufmann, 2007 Sérgio Colcher and Antônio Tadeu Azevedo Gomes and Anderson Oliveira da Silva VoIP: Voz sobre IP. Campus, Cisco Systems Inc. Internetworking Technologies Handbook - 4th edition Cisco Press, / 133

5 Bibliografia Leonardo Balliache Differentiated Service on Linux HOWTO Bert Hubert et. al. Linux Advanced Routing & Traffic Control Howto HOWTO 5 / 133

6 Parte 1 Teoria 1 Caracterização das aplicações multimídia Compressão de dados 2 O melhor esforço vs aplicações multimídia Estratégias para tratar a variação de atraso Estratégia para abrandar a perda de pacotes 3 Qualidade Serviço QoS Fornecendo múltiplas classes de serviços Escalonamento de filas Condicionamento de tráfego 4 Além do melhor esforço Serviços Integrados IntServ Serviços Diferenciados DiffServ 6 / 133

7 Parte 2 Prática 5 Implementação de QoS em um roteador Linux Teoria sobre o TC Prática com o TC Classificação e marcação com iptables 6 Ferramentas auxiliares 7 / 133

8 Parte I Teoria 8 / 133

9 Conteúdo programático 1 Caracterização das aplicações multimídia Compressão de dados 2 O melhor esforço vs aplicações multimídia Estratégias para tratar a variação de atraso Estratégia para abrandar a perda de pacotes 3 Qualidade Serviço QoS Fornecendo múltiplas classes de serviços Escalonamento de filas Condicionamento de tráfego 4 Além do melhor esforço Serviços Integrados IntServ Serviços Diferenciados DiffServ 9 / 133

10 Introdução Multimídia A palavra multimídia expressa uma informação que combina diversos conteúdos em diferentes formatos. Exemplo: texto, imagem, áudio, vídeo e interatividade. 10 / 133

11 Introdução Multimídia A palavra multimídia expressa uma informação que combina diversos conteúdos em diferentes formatos. Exemplo: texto, imagem, áudio, vídeo e interatividade. ˆ As aplicações multimídia são caracterizadas como: Lineares. Não permitem a interação do usuário com o conteúdo Não-lineares. Permitem a interação do usuário com o conteúdo 10 / 133

12 Introdução Multimídia A palavra multimídia expressa uma informação que combina diversos conteúdos em diferentes formatos. Exemplo: texto, imagem, áudio, vídeo e interatividade. ˆ As aplicações multimídia são caracterizadas como: Lineares. Não permitem a interação do usuário com o conteúdo Não-lineares. Permitem a interação do usuário com o conteúdo ˆ Exemplos: páginas html, mensagem instantânea, VoIP, apresentações, quiosques, realidade virtual, etc. 10 / 133

13 Características fundamentais das aplicações multimídia ˆ Sensíveis a atraso ˆ Atraso fim a fim. Tempo gasto na transmissão do pacote entre a origem e o destino final ˆ Variação de atraso (jitter). Consiste na variação do atraso entre os diversos pacotes de uma transmissão ˆ Tolerante a perdas ˆ As perdas gerarão certa pertubação na aplicação, mas sem que inviabilize-a 11 / 133

14 Características fundamentais das aplicações multimídia ˆ Sensíveis a atraso ˆ Atraso fim a fim. Tempo gasto na transmissão do pacote entre a origem e o destino final ˆ Variação de atraso (jitter). Consiste na variação do atraso entre os diversos pacotes de uma transmissão ˆ Tolerante a perdas ˆ As perdas gerarão certa pertubação na aplicação, mas sem que inviabilize-a Questões 1 Tais características influenciam de forma similar as aplicações de troca de dados? 2 Quais as causas para o atraso, variação do atraso e perda de pacotes? 11 / 133

15 Classificação das aplicações multimídia ˆ Aplicações de fluxo contínuo de mídia armazenada ˆ Aplicações de fluxo contínuo ao vivo ˆ Aplicações interativas de tempo real 12 / 133

16 Aplicações de fluxo contínuo de mídia armazenada ˆ Clientes requisitam mídias sob demanda, as quais já estão armazenadas nos servidores ˆ Conteúdo pré-gravado ˆ Permite aos clientes interagir com o servidor, indicando como a mídia deverá ser transmitida ˆ Por exemplo, ao ouvir uma música pré-gravada o cliente poderia avançar um trecho ou mesmo retroceder ˆ O fluxo contínuo indica que o cliente irá começar a processar a informação no momento que receber a primeira porção desta. ˆ O cliente não necessita obter por completo uma música para que então possa reproduzi-la 13 / 133

17 Aplicações de fluxo contínuo de mídia armazenada ˆ Clientes requisitam mídias sob demanda, as quais já estão armazenadas nos servidores ˆ Conteúdo pré-gravado ˆ Permite aos clientes interagir com o servidor, indicando como a mídia deverá ser transmitida ˆ Por exemplo, ao ouvir uma música pré-gravada o cliente poderia avançar um trecho ou mesmo retroceder ˆ O fluxo contínuo indica que o cliente irá começar a processar a informação no momento que receber a primeira porção desta. ˆ O cliente não necessita obter por completo uma música para que então possa reproduzi-la Questão Exemplos de aplicações? 13 / 133

18 Aplicações de fluxo contínuo de mídia armazenada ˆ Possui restrição temporal. Os dados devem ser recebidos antes do instante que estes deveriam ser reproduzidos ˆ Para lidar com o atraso, tais aplicações geralmente fazem uso de uma área de armazenamento temporário (buffer) e só começam a reproduzir a mídia após preencher por alguns instantes tal área 14 / 133

19 Aplicações de fluxo contínuo de mídia armazenada ˆ Possui restrição temporal. Os dados devem ser recebidos antes do instante que estes deveriam ser reproduzidos ˆ Para lidar com o atraso, tais aplicações geralmente fazem uso de uma área de armazenamento temporário (buffer) e só começam a reproduzir a mídia após preencher por alguns instantes tal área Dados da Internet taxa de preenchimento X dados pre capturados Area de armazenamento do cliente taxa de saida z 14 / 133

20 Aplicações de fluxo contínuo ao vivo ˆ Se assemelham com as transmissões de rádio e televisão, exceto pelo fato das informações serem transmitidas pela Internet ˆ Não permite a interação com a mídia, uma vez que o conteúdo está sendo gerado ao vivo 15 / 133

21 Aplicações de fluxo contínuo ao vivo ˆ Se assemelham com as transmissões de rádio e televisão, exceto pelo fato das informações serem transmitidas pela Internet ˆ Não permite a interação com a mídia, uma vez que o conteúdo está sendo gerado ao vivo ˆ Exemplos? 15 / 133

22 Aplicações interativas de tempo real ˆ Permitem aos usuários comunicarem entre si em tempo real 16 / 133

23 Aplicações interativas de tempo real ˆ Permitem aos usuários comunicarem entre si em tempo real ˆ Exemplo: Voz sobre IP (VoIP) ˆ Não se dá bem com atrasos. ˆ Na transmissão de voz, atrasos inferiores a 150ms não são perceptíveis pelo ouvido humano ˆ Atrasos até 400ms são aceitáveis e superiores a isso tornam a comunicação incompreensível 16 / 133

24 Compressão de dados ˆ O espaço ocupado por uma imagem no formato RAW é calculado a partir das suas dimensões (horizontal, vertical) e sua profundidade de horizontal vertical BPP cor. Tamanho(Kb) = / 133

25 Compressão de dados ˆ O espaço ocupado por uma imagem no formato RAW é calculado a partir das suas dimensões (horizontal, vertical) e sua profundidade de horizontal vertical BPP cor. Tamanho(Kb) = ˆ Qual seria o espaço em disco para armazer uma imagem 128x128 de 24 bits em um mapa de bits cru (BMP)? 17 / 133

26 Compressão de dados ˆ O espaço ocupado por uma imagem no formato RAW é calculado a partir das suas dimensões (horizontal, vertical) e sua profundidade de horizontal vertical BPP cor. Tamanho(Kb) = ˆ Qual seria o espaço em disco para armazer uma imagem 128x128 de 24 bits em um mapa de bits cru (BMP)? ˆ Transportar tal tipo de imagem pela rede iria consumir uma grande largura de banda ˆ A compressão busca reduzir a quantidade de espaço necessária para armazenar/transportar uma dada informação ˆ Se dá através da redução de informações redundantes e também na redução da taxa de bits necessária para representar um dado qualquer ˆ Exemplo: FFFFFF poderia ser reduzido para 6F 17 / 133

27 Classificação das técnicas de compressão Sem perdas. Os dados originais podem ser reconstruídos de um dado comprimido. Ex: [6]7 Com perdas. Após ser descomprimidos os dados diferem da fonte original, mas não muito, o que permite que estes continuem úteis. Ex: Simétrica. O mesmo algoritmo é usado na compressão e na descompressão Assimétrica. Geralmente os algoritmos de compressão são mais complexos e o processo demora mais (exemplo: mp3) 18 / 133

28 Classificação das técnicas de compressão Sem perdas. Os dados originais podem ser reconstruídos de um dado comprimido. Ex: [6]7 Com perdas. Após ser descomprimidos os dados diferem da fonte original, mas não muito, o que permite que estes continuem úteis. Ex: Simétrica. O mesmo algoritmo é usado na compressão e na descompressão Assimétrica. Geralmente os algoritmos de compressão são mais complexos e o processo demora mais (exemplo: mp3) ˆ Quais técnicas seriam mais adequadas para as mídias como texto, imagem, voz, vídeo, arquivo binário? 18 / 133

29 Compressão do áudio ˆ A conversão de um sinal analógico de áudio para um digital se dá através de amostras por segundo, sendo 8bits a quantização de cada amostra, o que resulta em 64kbps. (técnica chamada PCM Pulse Code Modulation) taxa de amostragem. número de amostras colhidas na unidade de tempo quantização. número possível de níveis sonoros que cada amostra pode registrar. Quanto maior, mais fiel será. 19 / 133

30 Compressão do áudio ˆ A conversão de um sinal analógico de áudio para um digital se dá através de amostras por segundo, sendo 8bits a quantização de cada amostra, o que resulta em 64kbps. (técnica chamada PCM Pulse Code Modulation) taxa de amostragem. número de amostras colhidas na unidade de tempo quantização. número possível de níveis sonoros que cada amostra pode registrar. Quanto maior, mais fiel será. ˆ O CD também faz uso da técnica PCM mas com uma taxa de amostragem de e sendo 16bits cada amostra. ˆ Resulta em 705.6kbps para mono e 1.411Mbps para estéreo 19 / 133

31 Compressão de vídeo ˆ O vídeo consiste numa sequência de imagens as quais são exibidas a uma taxa constante, por exemplo, 24 ou 30 quadros por segundo ˆ Cada quadro representa um vetor de pixels, sendo cada pixel codificado em um número de bits que representa a luminância e a cor 20 / 133

32 Compressão de vídeo ˆ O vídeo consiste numa sequência de imagens as quais são exibidas a uma taxa constante, por exemplo, 24 ou 30 quadros por segundo ˆ Cada quadro representa um vetor de pixels, sendo cada pixel codificado em um número de bits que representa a luminância e a cor ˆ Existem dois tipos de redundância em vídeo e ambas podem ser exploradas pela compressão de dados Espacial. Repetição de um mesmo padrão no quadro. (imagem toda preta) Temporal. Repetição de uma imagem nos quadros subsequentes 20 / 133

33 Formatos de compressão do multimídia ˆ Áudio ISO. MPEG-1 audio layer I, II e III, AAC, FLAC ITU. G.711 e G.729 outros. AMR (Adaptive Multi-rate), RealAudio, Vorbis, WMA, Speex ˆ Vídeo ISO. MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4 ASP e MPEG-4/AVC ITU. H.264 outros. RealVideo, Theora, WMV ˆ Contêiner de mídia ˆ AVI, MP4, OGG, MKV 21 / 133

34 CBR, ABR e VBR Constant Bit Rate. Faz uso de uma taxa constante de amostragem. Por exemplo, um fluxo de áudio de 2 minutos codificado a uma taxa de 128kbps irá resultar em um arquivo de 1.920Kb. Tamanho do arquivo é previsível 22 / 133

35 CBR, ABR e VBR Constant Bit Rate. Faz uso de uma taxa constante de amostragem. Por exemplo, um fluxo de áudio de 2 minutos codificado a uma taxa de 128kbps irá resultar em um arquivo de 1.920Kb. Tamanho do arquivo é previsível Average Bit Rate. É definida uma taxa de amostragem média e para cada quadro de áudio é determinado se este pode ficar acima ou abaixo da taxa média. Por exemplo, um arquivo codificado com ABR 128kbps, alguns quadros com silêncio podem ser codificados a uma taxa de 96kbps, já quadros mais complexos podem ser codificados com 192kbps. Tamanho do arquivo é previsível 22 / 133

36 CBR, ABR e VBR Constant Bit Rate. Faz uso de uma taxa constante de amostragem. Por exemplo, um fluxo de áudio de 2 minutos codificado a uma taxa de 128kbps irá resultar em um arquivo de 1.920Kb. Tamanho do arquivo é previsível Average Bit Rate. É definida uma taxa de amostragem média e para cada quadro de áudio é determinado se este pode ficar acima ou abaixo da taxa média. Por exemplo, um arquivo codificado com ABR 128kbps, alguns quadros com silêncio podem ser codificados a uma taxa de 96kbps, já quadros mais complexos podem ser codificados com 192kbps. Tamanho do arquivo é previsível Variable Bit Rate. Para cada quadro o algoritmo escolhe a melhor taxa. A arquivo resultante mantém a qualidade, porém não é possível prever o tamanho do arquivo 22 / 133

37 Formatos de áudio G.711. foi lançado em 1972 e apresenta uma forma para codificação para voz em modulação por código de pulso (PCM) a uma taxa de 64kbps ˆ Há duas versões (A-law) e (µ-law) só muda a forma que o sinal é amostrado ˆ Por não ter compressão, seu uso na voz sobre IP torna a qualidade da comunicação bem próxima daquilo que temos na telefonia convencional G.729. consiste em um algoritmo de compressão de áudio que comprime os dados em blocos de 10 milisegundos, resultando em uma taxa de 8kbps ˆ ideal para voz sobre IP pois requer pouca banda ˆ Tons (DTMF e FAX) não podem ser codificados com este 23 / 133

38 Formatos de áudio AMR. Adaptive Multi-rate ˆ Optimizado para codificação de voz e é usado amplamente na rede GSM ACC. Advanced Audio Coding Vorbis. ˆ Projetado para ser sucessor do MPEG-1 layer III e consegue obter melhor qualidade ˆ Não é necessário pagar licenças para distribuir conteúdo neste formato, porém os desenvolvedores de codecs precisam de licenças ˆ Codec livre e de código aberto e que sua concepção foi motivada pelo anúncio da Fraunhofer ter intenção de cobrar licenças de uso do MPEG-1 layer III ˆ É um codec com taxa de fluxo de dados variável (VBR) 24 / 133

39 Formatos de áudio Spexx. Codec de código aberto voltado para a codificação de voz, sendo amplamente utilizado em aplicações de teleconferência e em jogos ˆ Projeto para ser usado na transmissão de voz sobre IP, sendo robusto em relação a perda de pacotes, mas não a pacotes corrompidos ˆ Opera com VBR e ABR e também implementa a detecção de atividade de voz ˆ Geralmente faz uso do contêiner OGG 25 / 133

40 Formatos de vídeo MPEG-1. (Part 2). Padrão utilizado no Video-CD (VCD) e sua qualidade pode ser comparada ao VHS MPEG-2. Utilizado amplamente para codificação de áudio e vídeo na transmissão de TV digital de alta qualidade, usado também pelo DVD MPEG-4. Surgiu como substituto ao MPEG-1 e 2. Consiste num conjunto de métodos para compressão de áudio e vídeo. É dividido em diversas partes: ˆ Parte 2 - vídeo; Parte 3 - áudio (AAC); ˆ Parte 10 - Advanced Vídeo Coding (H.264) ˆ Parte 14 - Contêiner de mídia 26 / 133

41 Formatos de vídeo Theora. Compressão de vídeo de código aberto ˆ Geralmente os vídeos são armazenados em contêiners OGG e combinados com áudio em Vorbis ˆ OGG + Theora + Vorbis consiste em uma solução livre de patentes para a codificação e transporte de mídias ˆ O Firefox 3.5 possui suporte nativo ao Theora ˆ Os vídeos e áudios na wikipedia estão em Theora e em Vorbis 27 / 133

42 Contêineres de mídia Tem por objetivo agrupar diferentes mídias de forma a tornar o transporte destas mais simples 28 / 133

43 Contêineres de mídia Tem por objetivo agrupar diferentes mídias de forma a tornar o transporte destas mais simples OGG. Contêiner de código aberto que agrupa mídias que fazem uso de diferentes codecs. Extensões:.ogv,.oga,.ogx e.ogg MP4. Trata-se do MPEG-4 Parte 14. Permite armazenar além do vídeo e áudio, textos e imagens. ˆ Baseado no contêiner da Apple QuickTime e tem formato idêntico ao MOV, acrescido de algumas características do MPEG. ˆ Extensões:.mp4 (áudio e vídeo),.m4v (vídeo),.m4a (áudio sem DRM),.m4p (com DRM),.m4b (podcasts) ˆ Telefones móveis fazem uso de uma versão simplificada (Parte 12), extensões:.3gp e.3g2 28 / 133

44 Contêineres de mídia AMV. Formato proprietário utilizado por aparelhos chineses portáteis e de baixo custo ˆ Modificaram o contêiner AVI e codificam o vídeo com uma variação do Motion JPEG ˆ Ideal para equipamentos com baixo poder de processamento ˆ Vídeos de baixa resolução e baixa qualidade 29 / 133

45 Contêineres de mídia Matroska. Formato aberto que pode agregar um número ilimitado de vídeos, aúdios, imagens ou faixas de legendas. ˆ Extensões:.mkv (vídeo + áudio + legenda),.mka (áudio),.mks (legenda) ˆ Está em amplo uso na disseminação de conteúdo obtidos de uma fonte de alta definição (Blu-ray e HDTV) 30 / 133

46 Conteúdo programático 1 Caracterização das aplicações multimídia Compressão de dados 2 O melhor esforço vs aplicações multimídia Estratégias para tratar a variação de atraso Estratégia para abrandar a perda de pacotes 3 Qualidade Serviço QoS Fornecendo múltiplas classes de serviços Escalonamento de filas Condicionamento de tráfego 4 Além do melhor esforço Serviços Integrados IntServ Serviços Diferenciados DiffServ 31 / 133

47 Internet vs aplicações multimídia ˆ A camada de rede da Internet opera com o melhor esforço ˆ Tenta entregar um datagrama IP da melhor maneira possível ˆ Não é posível prever o atraso fim a fim para um único pacote ou mesmo a variação de atraso e taxa de perdas para um fluxo de mídia ˆ A falta de garantias torna um desafio o uso de aplicações multimídia interativas de tempo real 32 / 133

48 Caso: Voz sobre IP ˆ Características da aplicação: ˆ Conversa ocorre em rajadas, durante a fala é gerado bytes por segundo ˆ Dados transmitidos em porções de 20 milisegundos, ou seja, cada porção leva 160 bytes ˆ As porções são transmitidas sobre o UDP 33 / 133

49 Caso: Voz sobre IP ˆ Características da aplicação: ˆ Conversa ocorre em rajadas, durante a fala é gerado bytes por segundo ˆ Dados transmitidos em porções de 20 milisegundos, ou seja, cada porção leva 160 bytes ˆ As porções são transmitidas sobre o UDP ˆ Problemas ˆ Perda de pacote ˆ É possível tolerar até 10% de perdas ˆ Atraso fim a fim e variação de atraso ˆ Pacotes que chegarem com atraso grande são considerados perdidos e são descartados 33 / 133

50 Voz sobre IP vs variação de atraso A remoção da variação de atraso nessa aplicação pode se dar através de três mecanismos ˆ Uso de um número de sequência para cada porção ˆ O emissor incrementa-o a cada pacote ˆ Marcação temporal para cada porção ˆ O emissor indica o instante que aquela porção foi gerada ˆ Atraso na reprodução ˆ O atraso deve ser suficientemente grande de forma que a maioria dos pacotes sejam recebidos antes do tempo que serão reproduzidos ˆ O atraso pode ser fixo ou pode variar ao longo da sessão de áudio 34 / 133

51 Atraso de reprodução fixo ˆ Tenta reproduzir cada porção exatamente q milisegundos após a porção ter sido gerada ˆ Uma porção gerada no instante t será reproduzida no instante t + q ˆ Se uma porção chegar após o instante t + q, esta será descartada 35 / 133

52 Atraso de reprodução fixo ˆ Tenta reproduzir cada porção exatamente q milisegundos após a porção ter sido gerada ˆ Uma porção gerada no instante t será reproduzida no instante t + q ˆ Se uma porção chegar após o instante t + q, esta será descartada ˆ Pontos sobre o tamanho de q: ˆ q longo evita perda de pacotes ˆ q curto apresenta uma melhor experiência interativa 35 / 133

53 Atraso de reprodução fixo 36 / 133

54 Atraso de reprodução adaptativo ˆ Tem por objetivo minizar o atraso, mantendo uma baixa taxa de perda ˆ Estimar o atraso da rede e sua variação e ajusta o atraso de reprodução para o início de cada rajada de voz ˆ Períodos de silêncio são comprimidos e alongados de forma que não seja percebido pelos interlocutores ˆ Definições c i marcação temporal do i-ésimo pacote = o instante que o pacote foi gerado pelo emissor r i instante em que o i-ésimo pacote foi entregue ao receptor e i instante em que o i-ésimo pacote foi reproduzido pelo receptor r i c i atraso fim a fim para o i-ésimo pacote 37 / 133

55 Atraso de reprodução adaptativo ˆ Estimativa dinâmica do atraso médio no receptor a i = (1 u)a i 1 + u(r i c i ), sendo u uma constante fixa, por exemplo 0, 01 ˆ Observações recentes possuem um peso maior ˆ Estimativa do desvio médio do atraso d i = (1 u)d i 1 + u r i c i a i ˆ Ambos são calculados para cada pacote que é recebido e assim é possível determinar o instante que o pacote deverá ser reproduzido e i = c i + a i + Kd i, sendo K uma constante positiva (K = 4) ˆ O objetivo de Kd i é garantir que somente uma pequena fração dos pacotes chegarão fora do limiar estabelecido. 38 / 133

56 Estratégia para abrandar a perda de pacotes ˆ A indução de atraso na reprodução ajuda as aplicações de voz sobre IP a lidar com o atraso fim a fim e a variação ˆ A retransmissão de pacotes perdidos não é adequada para aplicações interativas ˆ Pacotes que realmente não chegaram ˆ Pacotes que chegaram após o tempo para sua reprodução 39 / 133

57 Estratégia para abrandar a perda de pacotes ˆ A indução de atraso na reprodução ajuda as aplicações de voz sobre IP a lidar com o atraso fim a fim e a variação ˆ A retransmissão de pacotes perdidos não é adequada para aplicações interativas ˆ Pacotes que realmente não chegaram ˆ Pacotes que chegaram após o tempo para sua reprodução ˆ Técnicas para abrandar as perdas de pacotes tem por objetivo preservar uma boa qualidade do áudio diante da perda de pacotes ˆ Correção Atencipada de Erros (Forward Error Correction FEC) ˆ Intercalação 39 / 133

58 Correção Antecipada de Erros ˆ Geralmente é usado em situações onde a retransmissão dos dados é cara ou impossível. ˆ Emissor envia dados redundantes em suas mensagens, também conhecidos como um código de correção de erro. ˆ Permite ao receptor detectar e corrigir os erros (dentro de um certo limite) sem precisar requisitar ao emissor por dados adicionais 40 / 133

59 Correção Antecipada de Erros ˆ Envio de uma porção redundante para cada grupo de n porções, sendo o pacote redundante obtido através do XOR sobre os demais pacotes do grupo. ˆ O envio de n + 1 porções aumenta o consumo de banda em 1/n ˆ É possível reconstruir as n porções originais se no máximo 1 porção for perdida para n + 1 porções ˆ Atraso na reprodução deve ser suficiente para a chegada dos n + 1 pacotes 41 / 133

60 Correção Antecipada de Erros ˆ Envio de uma porção redundante para cada grupo de n porções, sendo o pacote redundante obtido através do XOR sobre os demais pacotes do grupo. ˆ O envio de n + 1 porções aumenta o consumo de banda em 1/n ˆ É possível reconstruir as n porções originais se no máximo 1 porção for perdida para n + 1 porções ˆ Atraso na reprodução deve ser suficiente para a chegada dos n + 1 pacotes ˆ Outra forma de usar o FEC é através da transmissão de fluxos de baixa resolução como a informação redundante. ˆ fluxo nominal pode ser enviado em uma qualidade melhor, por exemplo, PCM a 64kbps, enquanto que o fluxo redundante codifica o áudio com o G.729 a 8 kbps. 41 / 133

61 Correção Antecipada de Erros 42 / 133

62 Intercalação ˆ Consiste no resequenciamento das unidades de áudio antes de transmití-las, de forma que unidades que estavam originalmente próximas sejam separadas por uma certa distância no fluxo a ser transmitido. ˆ No exemplo: unidades são de 5ms e as porções representam 20ms 4 unidades por porção 43 / 133

63 Conteúdo programático 1 Caracterização das aplicações multimídia Compressão de dados 2 O melhor esforço vs aplicações multimídia Estratégias para tratar a variação de atraso Estratégia para abrandar a perda de pacotes 3 Qualidade Serviço QoS Fornecendo múltiplas classes de serviços Escalonamento de filas Condicionamento de tráfego 4 Além do melhor esforço Serviços Integrados IntServ Serviços Diferenciados DiffServ 44 / 133

64 Qualidade de serviço ˆ Existe uma competição pelos recursos (rede, ciclo do processador) ˆ Aplicações convencionais vs aplicações multimídia ˆ Fluxos de mídias de diferentes aplicações multimídia ˆ As redes foram projetadas para permitir o envio de mensagems de diferentes origens de forma intercalada ˆ diversos canais virtuais sobre um mesmo canal físico 45 / 133

65 Qualidade de serviço ˆ O algoritmo de escalonamento varredura cíclica (round-robin) mostra-se como uma boa solução para compartilhamento de recursos, mas não atendem por completo aplicações multimídia ˆ Os dados devem se fazer presentes em um determinado instante, após este os dados não possuem qualquer valor 46 / 133

66 Qualidade de serviço ˆ O algoritmo de escalonamento varredura cíclica (round-robin) mostra-se como uma boa solução para compartilhamento de recursos, mas não atendem por completo aplicações multimídia ˆ Os dados devem se fazer presentes em um determinado instante, após este os dados não possuem qualquer valor ˆ A Qualidade de Serviço (Quality of Service QoS) é a grande área da computação que ataca este problema ˆ Parte do pressuposto que nem todas as aplicações necessitam do mesmo desempenho em suas execuções ˆ As aplicações são caracterizadas pelas necessidades de recursos em termos de requisitos de QoS 46 / 133

67 Qualidade de serviço Objetivo das pesquisas com QoS Permitir que os desenvolvedores das aplicações multimídia possam solicitar a infra-estrutura subjacente (S.O., rede) níveis de QoS apropriados para sua aplicação de forma que sejam mantidos desde a fonte até o destino (garantia fim a fim) 47 / 133

68 Qualidade de serviço Objetivo das pesquisas com QoS Permitir que os desenvolvedores das aplicações multimídia possam solicitar a infra-estrutura subjacente (S.O., rede) níveis de QoS apropriados para sua aplicação de forma que sejam mantidos desde a fonte até o destino (garantia fim a fim) ˆ Gerenciamento de Qualidade de Serviço ˆ Responsável por determinar como e quais recursos serão disponibilizados para cada aplicação ˆ Negociação de QoS ˆ Controle de admissão 47 / 133

69 Negociação de QoS funcionamento 1 A aplicação indica os recursos necessários 2 Gerente verifica a possibilidade em aceitar tal proposta ˆ Recursos disponíveis vs atual comprometimento dos recursos 3 Apresenta uma resposta a aplicação: sim ou não ˆ Se for negativa a aplicação pode ser reconfigurada para usar uma quantidade reduzida de recursos e submete um novo pedido ˆ Se for positiva aplica-se o controle de admissão. 48 / 133

70 Negociação de QoS ˆ A negociação entre a aplicação e o gerente se faz através de uma especificação de requisitos ˆ Para as aplicações multimídia especifica-se três parâmetros ˆ Largura de banda. Taxa que o fluxo será transportado ˆ Latência. Indica o tempo necessário para o transporte. ˆ Taxa de perda. Em um gerenciamento de QoS perfeito nunca teremos perda de pacotes ˆ Prover tal garantia geralmente não é aceitável, uma vez que recai sobre uma reserva excessiva de recursos para tratar eventuais picos na rede ˆ Saída comum: aceitar uma certa taxa de perdas 49 / 133

71 Negociação de QoS Largura de banda, latência e taxa de perdas podem ser usadas para: ˆ Descrever as características de um fluxo multimídia ˆ Descrever as habilidade dos recursos para transportar o fluxo 50 / 133

72 Negociação de QoS Largura de banda, latência e taxa de perdas podem ser usadas para: ˆ Descrever as características de um fluxo multimídia ˆ Um fluxo de mídia requer uma largura de banda média de 1.5Mpbs e o atraso máximo tolerado é de 150ms. O algoritmo de descompressão tolera perder 1 quadro a cada 100 ˆ Descrever as habilidade dos recursos para transportar o fluxo 50 / 133

73 Negociação de QoS Largura de banda, latência e taxa de perdas podem ser usadas para: ˆ Descrever as características de um fluxo multimídia ˆ Um fluxo de mídia requer uma largura de banda média de 1.5Mpbs e o atraso máximo tolerado é de 150ms. O algoritmo de descompressão tolera perder 1 quadro a cada 100 ˆ Descrever as habilidade dos recursos para transportar o fluxo ˆ Uma rede pode prover conexões de 64kbps e seu algoritmo de enfileiramento de pacotes garante atrasos menores que 10ms. Já a transmissão garante uma taxa de perdas menor que 1 em / 133

74 RFC Especificação do Fluxo 51 / 133

75 Cenário 1 ˆ Usuário de uma aplicação FTP contrata um serviço mais caro que o usuário de uma aplicação de áudio ˆ Deveria o tráfego de áudio ter prioridade sobre o FTP? 52 / 133

76 Cenário 1 ˆ Usuário de uma aplicação FTP contrata um serviço mais caro que o usuário de uma aplicação de áudio ˆ Deveria o tráfego de áudio ter prioridade sobre o FTP? Não! ˆ Deve haver alguma classificação dos pacotes para permitir aos roteadores distinguir os pacotes de diferentes classes 52 / 133

77 Cenário 1: Classificação de pacotes 53 / 133

78 Cenário 2 ˆ O roteador sabe que deve dar 1Mbps a aplicação de áudio, pois essa é a taxa de transmissão do áudio e o restante é destinado ao FTP. Porém o que acontece se a aplicação de áudio começar a transmitir na taxa 1.5Mbps? 54 / 133

79 Cenário 2 ˆ O roteador sabe que deve dar 1Mbps a aplicação de áudio, pois essa é a taxa de transmissão do áudio e o restante é destinado ao FTP. Porém o que acontece se a aplicação de áudio começar a transmitir na taxa 1.5Mbps? ˆ Os pacotes FTP nunca serão transmitidos. 54 / 133

80 Cenário 2 ˆ O roteador sabe que deve dar 1Mbps a aplicação de áudio, pois essa é a taxa de transmissão do áudio e o restante é destinado ao FTP. Porém o que acontece se a aplicação de áudio começar a transmitir na taxa 1.5Mbps? ˆ Os pacotes FTP nunca serão transmitidos. ˆ Deve haver um isolamento entre as classes de tráfego e entre os fluxos ˆ Criação de enlaces lógicos 54 / 133

81 Cenário 2: Criação de enlaces lógicos 55 / 133

82 Cenário 3 ˆ A aplicação de áudio tem um enlace lógico de 1Mbps. Ambas as aplicações estão transmitindo até que a aplicação de áudio para de transmitir (pararam de falar). Assim, existe uma largura de banda ociosa e que a aplicação FTP não pode usar. 56 / 133

83 Cenário 3 ˆ A aplicação de áudio tem um enlace lógico de 1Mbps. Ambas as aplicações estão transmitindo até que a aplicação de áudio para de transmitir (pararam de falar). Assim, existe uma largura de banda ociosa e que a aplicação FTP não pode usar. ˆ Ao prover o isolamento de classes e de fluxos é desejado utilizar os recursos da melhor maneira possível 56 / 133

84 Escalonamento de filas ˆ Pacotes chegam de diferentes fluxos de rede e são multiplexados em uma fila para a sua transmissão ˆ Existem diferentes maneiras para selecionar os pacotes que estão na fila para serem transmitidos, isto chama-se disciplina de escalonamento de filas ˆ FIFO Firs-In-First-Out ˆ Enfileiramente com prioridades ˆ Varredura cíclica (Round robin) ˆ Varredura cíclica com enfileiramento justo ponderado ˆ Round Robin + Weighted Fair Queueing RR WFQ) 57 / 133

85 FIFO ˆ FIFO O primeiro pacote a chegar será o primeiro pacote a sair ˆ Pacotes que chegam na fila de saída aguardam por sua transmissão se o meio estiver ocupado ˆ Se não houver espaço suficiente na fila para armazenar pacotes que estão chegando, então a poĺıtica de descarte irá determinar quais pacotes deverão ser descartados 58 / 133

86 FIFO em operação 59 / 133

87 Enfileiramento com prioridades ˆ Pacotes que chegam são classificados e dispostos em diferentes filas de acordo com a prioridade que possuem ˆ Classificação pode usar o cabeçalho IP do pacote ˆ Sempre irá transmitir o pacote que está na fila de mais alta prioridade ˆ Se existirem duas filas com a mesma prioridade, o FIFO é empregado 60 / 133

88 Enfileiramento com prioridades em operação 61 / 133

89 Varredura cíclica (Round robin) ˆ Classifica os pacotes que entram e os dispõe em diferentes filas ˆ As filas são servidas igualmente 62 / 133

90 Varredura cíclica (Round robin) 63 / 133

91 Varredura cíclica com enfileiramento justo ponderado ˆ Cada classe recebe um tempo de serviço diferenciado em cada ciclo ˆ Para cada classe i está associado um peso w i. Durante um intervalo de tempo em que a classe i tem pacotes para enviar, a esta será concedida um fração do serviço igual a w i wj, ˆ A soma do denominador é obtida através de todas as classes que também possuem pacotes para transmitir. ˆ Assim, com uma taxa de transmissão R, a classe i sempre irá obter um vazão mínima de R w i wj 64 / 133

92 Varredura cíclica com enfileiramento justo ponderado 65 / 133

93 Condicionamento de tráfego Condicionamento de tráfego Traffic Shapping Termo usado para descrever o uso de uma área de armazenamento temporário (buffer) para suavizar o fluxo de dados de forma que a saída dos dados seja contínua 66 / 133

94 Condicionamento de tráfego Condicionamento de tráfego Traffic Shapping Termo usado para descrever o uso de uma área de armazenamento temporário (buffer) para suavizar o fluxo de dados de forma que a saída dos dados seja contínua ˆ Técnicas para fazer a suavização do tráfego ˆ Balde Furado ˆ Balde de fichas 66 / 133

95 Critérios para o condicionamento de tráfego ˆ Taxa média ˆ Pode ser desejado limitar a taxa média de tráfego (pacotes) sobre um intervalo de tempo longo ˆ Quantidade de tráfego que será injetada na rede ˆ Ex: 100 pacotes por segundo é uma taxa mais restritiva que pacotes por minuto ˆ Taxa de pico ˆ Restringe o número máximo de pacotes em um intervalo de tempo mais curto ˆ Ex: taxa média de pacotes por minuto e uma taxa de pico de pacotes por segundo ˆ Tamanho da rajada ˆ Número máximo de pacotes injetados na rede em um período de tempo extremamente curto 67 / 133

96 Balde furado ˆ O tráfego chega a uma taxa variável suscetível a rajadas enquanto que a saída é linear Dados da Internet Taxa variável taxa constante 68 / 133

97 Balde furado ˆ O tráfego chega a uma taxa variável suscetível a rajadas enquanto que a saída é linear Dados da Internet Taxa variável taxa constante ˆ Problema: A eliminação de rajadas nem sempre é necessária ˆ exemplo: Quando se tem uma largura de banda disponível sobre um certo intervalo de tempo 68 / 133

98 Balde de fichas ˆ Permite que grande rajadas ocorram quando o fluxo tenha ficado ocioso por um tempo ˆ Balde de tamanho B é preenchido com fichas sendo geradas a uma taxa constante R ˆ Um dado de tamanho s só poderá ser enviado sem houver pelo menos s fichas no balde ˆ Isto garante que sobre qualquer intervalo de tempo t a quantidade de dados enviados não será superior a Rt + B 69 / 133

99 Balde de fichas 70 / 133

100 Conteúdo programático 1 Caracterização das aplicações multimídia Compressão de dados 2 O melhor esforço vs aplicações multimídia Estratégias para tratar a variação de atraso Estratégia para abrandar a perda de pacotes 3 Qualidade Serviço QoS Fornecendo múltiplas classes de serviços Escalonamento de filas Condicionamento de tráfego 4 Além do melhor esforço Serviços Integrados IntServ Serviços Diferenciados DiffServ 71 / 133

101 Além do melhor esforço ˆ A Internet opera com o melhor esforço ˆ Os pacotes serão encaminhados da melhor maneira possível ˆ Não existe distinção entre pacotes de uma aplicação para troca de dados (FTP) e pacotes de uma aplicação multimídia (VoIP) 72 / 133

102 Além do melhor esforço ˆ A Internet opera com o melhor esforço ˆ Os pacotes serão encaminhados da melhor maneira possível ˆ Não existe distinção entre pacotes de uma aplicação para troca de dados (FTP) e pacotes de uma aplicação multimídia (VoIP) Como a Internet poderia evoluir para atender aplicações interativas? 72 / 133

103 Possíveis soluções: Abordagem conservadora Largura de banda será infinita ˆ Continuamos com a mesma arquitetura IP (melhor esforço) ˆ Engenharia de tráfego ˆ Otimização dos recursos disponíveis, desviando parte do tráfego do caminho de roteamento por caminhos menos congestionados ˆ Adaptação das aplicações para lidar com os problemas da rede ˆ Uso de buffers, indução do atraso inicial, codecs robustos, etc ˆ A priorização simples de pacotes é suficiente ˆ Prioridade no encaminhamento dos pacotes de aplicações interativas 73 / 133

104 Possíveis soluções: Abordagem progressista ˆ Sempre haverá falta de recursos ˆ Quanto maior a oferta, maior será a procura ˆ A arquitetura da rede deve evoluir ˆ Protocolos de transporte não bastam ˆ Rede deverá fornecer serviços preferenciais ˆ atraso, taxa de transmissão ˆ E se todas as aplicações forem prioritárias, quem terá mais prioridade? 74 / 133

105 Possíveis soluções: Abordagem progressista ˆ Sempre haverá falta de recursos ˆ Quanto maior a oferta, maior será a procura ˆ A arquitetura da rede deve evoluir ˆ Protocolos de transporte não bastam ˆ Rede deverá fornecer serviços preferenciais ˆ atraso, taxa de transmissão ˆ E se todas as aplicações forem prioritárias, quem terá mais prioridade? Abordagens de QoS Serviços Integrados e Serviços Diferenciados 74 / 133

106 Serviços Integrados RFC 1633, junho de 94 ˆ Novas estações de trabalho estão saindo com equipamentos multimídia e assim aplicações sofisticadas para troca de áudio e vídeo estão sendo desenvolvidas ˆ Difusão seletiva ainda não está disponível amplamente nos roteadores comerciais ˆ Os experimentos realizados comprovaram que a Internet não está apta a lidar com tais aplicações ˆ variação de atrasos (filas nos roteadores) e congestionamentos (perdas de pacotes) ˆ A infra-estrutura da Internet tem que mudar para prover suporte à QoS para aplicações interativas 75 / 133

107 Serviços Integrados RFC 1633, junho de 94 ˆ Operadores das redes estão desejando também formas para controlar o compartilhamento da banda de um determinado enlace para diferentes tipos de tráfego ˆ Desejam atribuir um percentual mínimo da largura de banda, que seria garantindo mesmo diante de uma sobrecarga na rede ˆ Tipos de tráfego poderiam representar grupos de usuários ou diferentes famílias de protocolos 76 / 133

108 Serviços Integrados RFC 1633, junho de 94 ˆ Operadores das redes estão desejando também formas para controlar o compartilhamento da banda de um determinado enlace para diferentes tipos de tráfego ˆ Desejam atribuir um percentual mínimo da largura de banda, que seria garantindo mesmo diante de uma sobrecarga na rede ˆ Tipos de tráfego poderiam representar grupos de usuários ou diferentes famílias de protocolos Serviços Integrados Trata-se de um modelo de serviço de Internet que inclui serviço de melhor esforço, serviço de tempo real e controle sobre o compartilhamento do enlace 76 / 133

109 Serviços Integrados IntServ ˆ Permite que a aplicação sinalize explicitamente para a rede a necessidade de garantia de serviço ˆ Baseia-se na reserva antecipada de recursos, mantendo o estado do fluxo em todos os roteadores por onde os pacotes irão passar ˆ largura de banda, atraso e variação de atraso ˆ A Qualidade de Serviço é provida por fluxo individualizado ˆ É como se criasse um enlace dedicado fim a fim sobre a atual infra-estrutura da Internet 77 / 133

110 Serviços Integrados IntServ 78 / 133

111 Arquitetura do IntServ ˆ Controle de admissão ˆ Verifica se a rede pode conceder o serviço solicitado ˆ Mecanismo de encaminhamento de pacotes ˆ Responsável por classificar, escalonar e gerenciar as filas nos roteadores ˆ Protocolo de reserva de recursos nos roteadores ˆ Resource ReSerVation Protocol RSVP 79 / 133

112 Resource ReSerVation Protocol RSVP ˆ Protocolo destinado a comunicar a reserva de recursos em redes IP ˆ Pode ser usado por roteadores ou pontos finais (p.e. computadores) ˆ Nível de QoS desejado para o fluxo de dados de uma aplicação ˆ Cria-se caminhos lógicos por onde os pacotes de uma determinada aplicação irão trafegar ˆ Apesar disso parecer ser tarefa dos protocolos de roteamento ˆ Não é um protocolo de roteamento, mas foi projetado para atuar em conjunto com estes ˆ RSVP foi projetado para gerenciar fluxos de dados ˆ Protocolos de roteamento foram projetados para tomada de decisões para cada datagrama 80 / 133

113 Fluxos de dados RSVP ˆ Com o RSVP, um fluxo de dados consiste em uma sequência de datagramas que possuem a mesma origem, mesmo destino e qualidade de serviço ˆ Sessões RSVP podem ser descritas como um fluxo de datagramas unidirecional específico a uma máquina e a um protocolo de transporte ˆ Sessões são identificadas por endereço de destino, ID do protocolo e porta ˆ Sabendo que um destino pode ser uma ou mais máquinas físicas, o RSVP provê suporte a difusão ponto a ponto (unicast) e difusão seletiva (multicast) Uma troca de dados bidirecional entre um par de máquinas consite na verdade em duas sessões RSVP unidirecionais 81 / 133

114 Requisitos de QoS ˆ Requisitos de QoS são informados através de uma especificação de fluxo ˆ Descreve o nível de serviço requirido pela fluxo: atraso, taxa de perdas, etc. ˆ Essa descrição assume um dos três tipos de tráfego: ˆ Melhor esforço ˆ Sensível a taxa de transmissão ˆ Sensível ao atraso 82 / 133

115 Tipos de tráfego ˆ Melhor esforço ˆ Aplicações requerem confiabilidade na entrega dos datagramas, sem se preocupar com o tempo para entrega. , FTP, etc. 83 / 133

116 Tipos de tráfego ˆ Melhor esforço ˆ Aplicações requerem confiabilidade na entrega dos datagramas, sem se preocupar com o tempo para entrega. , FTP, etc. ˆ Sensível a taxa de transmissão ˆ Requerem garantias para a taxa de transmissão da origem até o destino ˆ A taxa de codificação de uma aplicação VoIP é constante (ou quase) e requer uma taxa de transmissão constante pela rede IP 83 / 133

117 Tipos de tráfego ˆ Melhor esforço ˆ Aplicações requerem confiabilidade na entrega dos datagramas, sem se preocupar com o tempo para entrega. , FTP, etc. ˆ Sensível a taxa de transmissão ˆ Requerem garantias para a taxa de transmissão da origem até o destino ˆ A taxa de codificação de uma aplicação VoIP é constante (ou quase) e requer uma taxa de transmissão constante pela rede IP ˆ Sensível ao atraso ˆ O tráfego requer um pontualidade para entrega e esta varia de acordo com a taxa de geração do mesmo ˆ Um vídeo codificado com MPEG-II tem uma taxa que varia de 3 a 7 Mbps, dependendo da dinâmina da cena em questão ˆ É composto por quadros principais (1 ou 2) e quadros delta (de 13 a 28) ˆ Quadros principais descrevem toda a cena, quadros delta descrevem as mudanças de um quadro principal ˆ Quadro Delta é bem menor que o quadro principal 83 / 133

118 Iniciando uma sessão RSVP ˆ O RSVP faz uso de duas mensagens para estabelecer uma sessão PATH. estabelece o caminho por onde passarão os pacotes do fluxo de dados RESV. para reservar os recursos desejados pela aplicação ˆ As mensagens RESV seguem o caminho definido pelas mensagens PATH ˆ Um nó ao receber uma mensagem RESV ˆ Encaminha mensagem RESV ao próximo nó, se conseguir atender os requisitos ˆ Envia uma mensagem de erro (RESVERROR), caso contrário ˆ Os erros podem ser ˆ Erros de caminho (caminho ambíguo) ˆ Erros de reserva ˆ Falha de admissão (solicitante sem permissão para fazer reserva) ˆ Banda indisponível, não provê suporte ao serviço ou má especificação do fluxo 84 / 133

119 Iniciando uma sessão RSVP Os passos para iniciar uma sessão RSVP são: 1 Receptores ingressam em grupos de difusão seletiva ˆ Utilizando o Internet Group Membership Protocol (IGMP) 2 Emissor inicia a sessão enviando mensagens PATH para os endereços IP destino 3 A aplicação nos receptores recebe a mensagem PATH e então envia a mensagem RESV 4 O emissor inicia o envio de pacotes assim que recebe a mensagem de reserva (RESV) 85 / 133

120 Reserva RSVP PATH RESV ˆ Aplicação no servidor invoca o daemon RSVP na mesma máquina 86 / 133

121 Reserva RSVP PATH RESV ˆ Daemon RSVP envia a mensagem PATH que é encaminhada para o próximo roteador ˆ Cada roteador no caminho cria uma sessão para a reserva em questão 86 / 133

122 Reserva RSVP PATH RESV ˆ A máquina cliente ao receber a mensagem PATH consulta seu daemon RSVP e pede pela reserva ˆ Daemon RSVP gera mensagem RESV que é encaminhada para o próximo roteador ˆ Cada roteador faz de fato a reserva de recurso 86 / 133

123 RSVP: Manutenção do estado ˆ RSVP é referenciado como soft state, pois o estado da reserva nos roteadores e nos pontos finais devem ser atualizados para manter a reserva ˆ A atualização ocorre de forma periódica através de mensagens PATH e RESV ˆ Se não receber uma mensagem antes do tempo expirar, o estado é apagado ˆ O estado também pode ser excluído através de uma mensagem de finalização de reserva ˆ Quando ocorre alteração de rotas, uma nova mensagem PATH é gerada para iniciar os estados nessa nova rota 87 / 133

124 Dificuldades com o IntServ ˆ Requer novos aplicativos nos roteadores e nos pontos finais para fazer a reserva fim a fim ˆ A Internet é um ambiente de larga escala e os roteadores do núcleo da rede poderão ficar sobrecarregados ˆ Os roteadores terão que manter o estado de controle e encaminhamento de todos os fluxos que passam por este 88 / 133

125 Serviços Diferenciados ˆ Proposta IETF, RFC 2474 lançada em 1998 ˆ O IntServ opera com fluxos individuais, o DiffServ agrega diversos fluxos em um número reduzido de classes ˆ Possível operar em ambientes de larga escala ˆ Não existe alocação expĺıcita de recursos ˆ Priorização dos fluxos se faz através da análise do cabeçalho IP ˆ Pode-se afirmar que esta abordagem posiciona-se entre os extremos do melhor esforço e Serviços Integrados 89 / 133

126 Serviços Diferenciados DiffServ 90 / 133

127 DiffServ Uma analogia ˆ A separação dos fluxos de dados em classes se assemelha a disposição dos passageiros de um voo comercial 91 / 133

128 DiffServ Uma analogia ˆ A separação dos fluxos de dados em classes se assemelha a disposição dos passageiros de um voo comercial ˆ Primeira classe ˆ É caro estar aqui, porém é bem confortável ˆ Possui poucos assentos 91 / 133

129 DiffServ Uma analogia ˆ A separação dos fluxos de dados em classes se assemelha a disposição dos passageiros de um voo comercial ˆ Primeira classe ˆ É caro estar aqui, porém é bem confortável ˆ Possui poucos assentos ˆ Classe executiva ˆ Nem tão caro quanto a primeira, mas ainda assim oferece conforto ˆ Também possui poucos assentos 91 / 133

130 DiffServ Uma analogia ˆ A separação dos fluxos de dados em classes se assemelha a disposição dos passageiros de um voo comercial ˆ Primeira classe ˆ É caro estar aqui, porém é bem confortável ˆ Possui poucos assentos ˆ Classe executiva ˆ Nem tão caro quanto a primeira, mas ainda assim oferece conforto ˆ Também possui poucos assentos ˆ Classe econômica ˆ A mais barata, logo conforto quase que nenhum ˆ Agradeça se você conseguir embarcar, pois as empresas costumam vender mais bilhetes do que o número real de assentos ˆ A maioria dos assentos do voo estão nesta classe 91 / 133

131 Elementos que compõem o DiffServ ˆ Domínios ˆ Conjunto contínuo de nós DiffServ e que aplicam um conjunto comum de poĺıticas de encaminhamento ˆ Pode ser estendido por diversos domínios Acordo de Nível de Serviço (Service Level Agreement SLA) ˆ Roteadores de borda ˆ Situados entre os domínios administrativos e é por ele que todos os fluxos passam antes de entrar ou sair do domínio DiffServ ˆ Funções: classificação de pacotes e condicionamento de tráfego ˆ O fluxo é tratado de forma individual (tarefa complexa) ˆ Roteadores de núcleo ˆ Situados no núcleo do domínio, encaminham os pacotes de acordo com a classificação que estes recebem quando ingressam no domínio ˆ Funções: Encaminhamento de pacotes ˆ O fluxo é tratado de forma agregada (classes) tarefa simples 92 / 133

132 Elementos que compõem o DiffServ ingresso Domínio DiffServ Roteador de borda Tarefa complexa egresso Roteador de núcleo Tarefa simples 93 / 133

133 Domínios DiffServ SLA SLA / 133

134 Papéis dos roteadores de borda ˆ Responsáveis por classificar e condicionar o tráfego entrante ˆ Garante que no domínio só transitarão pacotes que estejam de acordo com a poĺıtica de QoS do domínio ˆ Pacotes de acordo com a poĺıtica serão marcados e encaminhados para os roteadores de núcleo ˆ Fluxos individuais passam a ser fluxos agregados ˆ Pacotes que estiverem em desacordo poderão ser atrasados ou mesmo descartados para respeitar a poĺıtica de QoS 95 / 133

135 Classificação dos fluxos ˆ O cabeçalho IP dos pacotes são analisados para que estes possam ser classificados pelos roteadores de borda ˆ Campo tipo de serviço (TOS do IPv4) ou tipo de tráfego (Traffic Class do IPv6) ˆ Existem dois tipos de classificadores Comportamento agregado. Basea-se na macação DiffServ feita previamente uma coleção de fluxos com uma mesma marcação. (Behavior Aggregate BA) Multi campo. Analisa outros campos do cabeçalho IP (endereços de origem, destino, porta, ID do protocolo). (Multi Field MF) 96 / 133

136 Condicionamento de tráfego O condicionamento é feito através da medição e após isso pode ser feito a marcação, formatação ou descarte do pacote Medidor. Avalia as propriedades temporais de um fluxo, comparando com o perfil de tráfego acordado. Três tipos de ações, e a combinação destas, podem ser tomadas Marcador. Insere código DiffServ no cabeçalho IP. Serve para alterar o código de um pacote já marcado Formatador. Atrasa pacotes de um fluxo para torná-lo compatível com o perfil acordado Descartador. Semelhante ao formatador, contudo pacotes de um fluxo são descartados 97 / 133

137 Condicionamento de tráfego confiável medidor marcação não confiável pacote classificador marcador formatador lixo 98 / 133

138 Marcação do pacote ˆ Se faz através de um código DiffServ (DS Code Point DSCP) ˆ É feita no campo TOS do IPv4 e no Traffic Class do IPv6 ˆ Tem o tamanho de 8 Bits ˆ Somente os 6 primeiros bits do campo TOS são usados, denominado DS ˆ Atualmente os 2 bits finais não possuem uso e estão reservados 99 / 133

139 Comportamento por salto Per-hop behaviour PHB ˆ Indica como diferentes classes de tráfego receberão tratamento diferenciado em um nó (roteador) ˆ Compara a marcação contida no DS com os comportamentos definidos no domínio DiffServ ˆ Os PHBs devem ser especificados ˆ Em termos de prioridade de recursos (largura de banda, tamanho dos buffers) ˆ Baseado em observações das características do tráfego (taxa de perda, atrasos) 100 / 133

140 Comportamento por salto Per-hop behaviour PHB É possível definir 64 valores distintos para o PHB, ou seja, 64 classes de tráfego, mas três classes são geralmente usadas PHB padrão. Semelhante ao melhor esforço. Quando não há acordo estabelecido, assume-se este comportamento PHB EF (Expedited Forwarding). Como uma linha dedicada com baixa perda e baixa latência PHB AF (Assured Forwarding). Apresenta garantias de entrega diante de certas circunstâncias 101 / 133

141 PHB AF (Assured Forwarding) ˆ São definidas quatro classes com diferentes níveis de garantia de encaminhamento ˆ Cada classe possui três níveis de precedência de descarte ˆ baixa, média, alta ˆ A cada classe é garantida uma quantidade mínima de largura de banda e de área de armazenamento temporário ˆ Emula uma rede como pouca carga mesmo diante de congestionamentos 102 / 133

142 PHB AF (Assured Forwarding) DSCP TOS IPv4 0 seletor de classe precedencia de descarte não usado Precedência de descarte AF1 AF2 AF3 AF4 baixa (1) média (2) alta (3) / 133

143 PHB AF Exemplo Várias aplicações estão competindo pelo recurso ˆ Os pacotes da aplicações VoIP são marcados com AF4, a classe de maior prioridade. Outro fluxo VoIP é marcado com AF3. Por fim dois fluxos FTP são marcados para as classes AF2 e AF1. ˆ A competição ocorre então entre aplicações e dentro de cada classe ˆ Dentro da classe a competição é resolvida através da precedência de descarte ˆ Quando um novo pacote chega a fila para a classe AF4 104 / 133

144 PHB AF Exemplo Várias aplicações estão competindo pelo recurso ˆ Os pacotes da aplicações VoIP são marcados com AF4, a classe de maior prioridade. Outro fluxo VoIP é marcado com AF3. Por fim dois fluxos FTP são marcados para as classes AF2 e AF1. ˆ A competição ocorre então entre aplicações e dentro de cada classe ˆ Dentro da classe a competição é resolvida através da precedência de descarte ˆ Quando um novo pacote chega a fila para a classe AF4 ˆ Se a taxa de ocupação > 90, então descarta o pacote 104 / 133

145 PHB AF Exemplo Várias aplicações estão competindo pelo recurso ˆ Os pacotes da aplicações VoIP são marcados com AF4, a classe de maior prioridade. Outro fluxo VoIP é marcado com AF3. Por fim dois fluxos FTP são marcados para as classes AF2 e AF1. ˆ A competição ocorre então entre aplicações e dentro de cada classe ˆ Dentro da classe a competição é resolvida através da precedência de descarte ˆ Quando um novo pacote chega a fila para a classe AF4 ˆ Se a taxa de ocupação > 90, então descarta o pacote ˆ Se a taxa for > 75 e < 90 aceita apenas pacotes marcados para AF / 133

146 PHB AF Exemplo Várias aplicações estão competindo pelo recurso ˆ Os pacotes da aplicações VoIP são marcados com AF4, a classe de maior prioridade. Outro fluxo VoIP é marcado com AF3. Por fim dois fluxos FTP são marcados para as classes AF2 e AF1. ˆ A competição ocorre então entre aplicações e dentro de cada classe ˆ Dentro da classe a competição é resolvida através da precedência de descarte ˆ Quando um novo pacote chega a fila para a classe AF4 ˆ Se a taxa de ocupação > 90, então descarta o pacote ˆ Se a taxa for > 75 e < 90 aceita apenas pacotes marcados para AF41 ˆ Se a taxa for > 50 e < 75, aceita pacotes para AF41 e AF / 133

147 PHB AF Exemplo Várias aplicações estão competindo pelo recurso ˆ Os pacotes da aplicações VoIP são marcados com AF4, a classe de maior prioridade. Outro fluxo VoIP é marcado com AF3. Por fim dois fluxos FTP são marcados para as classes AF2 e AF1. ˆ A competição ocorre então entre aplicações e dentro de cada classe ˆ Dentro da classe a competição é resolvida através da precedência de descarte ˆ Quando um novo pacote chega a fila para a classe AF4 ˆ Se a taxa de ocupação > 90, então descarta o pacote ˆ Se a taxa for > 75 e < 90 aceita apenas pacotes marcados para AF41 ˆ Se a taxa for > 50 e < 75, aceita pacotes para AF41 e AF42 ˆ Se a taxa for < 50 então aceita AF41, AF42 e AF / 133

148 Comparativo entre IntServ e DiffServ IntServ DiffServ granularidade fluxos individuais fluxos agregados manutenção do estado por fluxo por agregado tipo de diferenciação determinística ou estatística garantia absoluta 1 ou proporcio- dos serviços nal 2 coordenação fim a fim local (por salto) escalabilidade limitada pelo número de fluxos limitada pelo número de classes de serviços sinalização características de fluxos ou requisitos de QoS conversão das classes 1 Existência de níveis de serviços fixos, estáticos. Ignora a carga submetida a classe. Classes inferiores podem não ser atendidas 2 Enfileiramento justo ponderado (WFQ) 105 / 133

149 Parte II Prática 106 / 133

150 Conteúdo programático 5 Implementação de QoS em um roteador Linux Teoria sobre o TC Prática com o TC Classificação e marcação com iptables 6 Ferramentas auxiliares 107 / 133

151 Linux atuando como um roteador O pacote iproute2 Consiste em uma coleção de ferramentas para controlar o tráfego em redes TCP/IP ˆ A ferramenta Traffic Control (tc) é destinada ao controle de tráfego, permitindo a aplicação de poĺıticas de controle para Qualidade de Serviço ˆ Permite a combinação de disciplinas de enfileiramento, classes e filtros para os pacotes destinados à interface de saída 108 / 133

152 Linux atuando como um roteador O pacote iproute2 Consiste em uma coleção de ferramentas para controlar o tráfego em redes TCP/IP ˆ A ferramenta Traffic Control (tc) é destinada ao controle de tráfego, permitindo a aplicação de poĺıticas de controle para Qualidade de Serviço ˆ Permite a combinação de disciplinas de enfileiramento, classes e filtros para os pacotes destinados à interface de saída 108 / 133

153 Funcionamento do código de rede do Linux 109 / 133

154 Aplicação do controle de tráfego ˆ Policiamento de pacotes no ingresso ˆ Pacotes indesejáveis são descartados ˆ Controle de filas na interface de saída ˆ Pacotes podem ser descartados, atrasados ou priorizados 110 / 133

155 Componentes do Controle de Tráfego ˆ Queueing disciplines qdisc ˆ Disciplinas de enfileiramento ˆ Indica como os pacotes na fila serão tratados. Ex: FIFO ˆ Classes ˆ Filters ˆ Forma de classificação e priorização de pacotes. ˆ Determina para quais classes os pacotes deverão ser encaminhados ˆ Policiers ˆ Controla o tráfego que passa pelos filtros para evitar abusos 111 / 133

156 Componentes do Controle de Tráfego (cont.) ˆ Uma qdisc pode: ˆ Armazenar pacotes ˆ Conter classes 112 / 133

157 Componentes do Controle de Tráfego (cont.) ˆ Uma qdisc pode: ˆ Armazenar pacotes ˆ Conter classes ˆ Uma classe não armazena pacotes. ˆ Dentro de uma classe só pode existir uma qdisc 112 / 133

158 Componentes do Controle de Tráfego (cont.) ˆ Uma qdisc pode: ˆ Armazenar pacotes ˆ Conter classes ˆ Uma classe não armazena pacotes. ˆ Dentro de uma classe só pode existir uma qdisc ˆ Ao criar uma qdisc composta por algumas classes, as qdisc destas classes terão por padrão a disciplina FIFO ˆ É possível alterar para outras disciplinas 112 / 133

159 Componentes do Controle de Tráfego (cont.) ˆ Uma qdisc pode: ˆ Armazenar pacotes ˆ Conter classes ˆ Uma classe não armazena pacotes. ˆ Dentro de uma classe só pode existir uma qdisc ˆ Ao criar uma qdisc composta por algumas classes, as qdisc destas classes terão por padrão a disciplina FIFO ˆ É possível alterar para outras disciplinas ˆ O objetivo dos filtros é de classificar os pacotes, encaminhando-os para as respectivas classes de acordo as informações contidas no cabeçalho IP 112 / 133

160 Componentes do Controle de Tráfego (cont.) entrada saída Queuing discipline (padrão) 113 / 133

161 Componentes do Controle de Tráfego (cont.) entrada Filter Filter Class Queuing discipline saída Filter Class Queuing discipline Queuing discipline (padrão) 113 / 133

162 Componentes do Controle de Tráfego (cont.) TBF = Token Bucket Filter (Balde de Fichas) 114 / 133