Selective packet forwarding provided by an IP-based Multimedia Gateway

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1 Selective packet forwarding provided by an IP-based Multimedia Gateway Rafael Fernando Diorio (Universidade Estadual de Campinas, SP, Brasil) Varese Salvador Timóteo (Universidade Estadual de Campinas, SP, Brasil) Edson Luiz Ursini (Universidade Estadual de Campinas, SP, Brasil) Abstract. This paper describes the results of a selective packet forwarding mechanism provided by an IP-based multimedia gateway for multimedia traffic corresponding to audio, voice, video and data services. Your functional mechanism allows it to be used in varied environments, providing resources for inspection, processing and selective forwarding of IP datagrams, among others. Your satisfactory results allow its use as a complementary tool in the study and analysis of solutions focused on multimedia networks in general. Keywords: Selective forwarding; multimedia networks; IP protocol. Encaminhamento seletivo de pacotes provido por um Gateway Multimídia baseado em IP Resumo. Este artigo descreve os resultados pertinentes ao mecanismo de encaminhamento seletivo de pacotes provido por um gateway multimídia baseado em IP para os serviços multimídia de áudio, voz, vídeo e dados. Sua estrutura funcional está embasada nos campos ToS e TC dos protocolos IPv4 e IPv6, tidos como DSCP e ECN, e possibilita sua utilização em ambientes de rede variados, fornecendo recursos para inspeção, processamento e encaminhamento seletivo de pacotes IP, dentre outros. Seus resultados satisfatórios possibilitam e viabilizam sua utilização como ferramenta complementar no estudo e análise de soluções voltadas às redes multimídia, de modo geral. Palavras-chave: Encaminhamento seletivo; redes multimídia; protocolo IP. 1. Introdução Aplicações, serviços e protocolos de rede estão em constante estudo, desenvolvimento, aprimoramento e utilização, sejam para fins comerciais ou acadêmicos. Em tal cenário, dada a complexidade e heterogeneidade da rede, inúmeras abordagens e propostas acadêmicas e comerciais vêm sendo estudadas de modo a contribuir e viabilizar, por exemplo, seu dimensionamento, sua escalabilidade e sua evolução, bem como para o entendimento, análise e tratamento de seu tráfego [Wang et al. 2012], dentre outros. Neste contexto, de modo a contribuir especialmente às pesquisas voltadas ao estudo e análise de soluções voltadas às redes multimídia, de modo geral, o presente artigo descreve os resultados pertinentes ao mecanismo de encaminhamento seletivo de pacotes provido por um gateway multimídia baseado em IP para os serviços multimídia de áudio, voz, vídeo e dados. Sua estrutura funcional está embasada nos campos ToS e TC dos protocolos IPv4 e IPv6, tidos como DSCP [RFC 2474] e ECN [RFC 3168], e possibilita 2980

2 sua utilização em ambientes de rede variados, fornecendo recursos para inspeção, processamento e encaminhamento seletivo de pacotes IP, dentre outros. Para tal, quanto a organização deste artigo, as características, recursos e funcionalidades do gateway multimídia estão descritas na Seção 2. Os resultados obtidos quanto ao mesmo estão descritos na Seção 3 e, por fim, a Seção 4 descreve as conclusões e os trabalhos futuros quanto ao mesmo. 2. Gateway multimídia 2.1. Visão geral Conforme descrito em [Diorio et al. 2014], o gateway multimídia (Figura 1) é um elemento de rede capaz de identificar, classificar e encaminhar, em tempo real, diferentes fluxos de tráfego multimídia (elástico e stream) à sua respectiva aplicação receptora, tanto em ambientes cabeados, quanto em ambientes sem fio, fornecendo recursos para inspeção e processamento seletivo de pacotes IP, bem como de mecanismos de QoS para tais pacotes e fluxos de tráfego. Figura 1. Visão geral: Gateway multimídia. Sua estrutura funcional está embasada no protocolo IP (versões 4 e 6), mais especificamente nos campos ToS do IPv4 e TC do IPv6, tidos como DSCP [RFC 2474] e ECN [RFC 3168], de modo que este seja passível de utilização em qualquer rede baseada em IP. Em tal estrutura, após inspecionados pelo gateway multimídia, os pacotes IP podem ser descartados, classificados ou encaminhados à aplicação receptora, podendo também ser regulados por meio de mecanismos de QoS. Informações de monitoramente e gerência são disponibilizadas, especialmente, por meio do protocolo SNMP. A Figura 2 ilustra a visão macro da estrutura funcional do gateway multimídia: 2981

3 Figura 2. Visão macro da estrutura funcional do gateway multimídia. Neste contexto, o gateway multimídia atua, em linhas gerais, intermediando o tráfego trocado entre os sistemas transmissor e receptor, podendo realizar inspeções, classificações, mecanismos de QoS e encaminhamentos seletivos às aplicações multimídia em questão, bem como o descarte de pacotes IP específicos Ambiente de rede com o gateway multimídia Funcionalmente, o gateway multimídia é tido como componente intermediário aos sistemas transmissor e receptor do conteúdo multimídia, atuando como um módulo externo ao(s) host(s) executando tais aplicações, conforme ilustra a Figura 3: Figura 3. Sistemas transmissor e receptor dos serviços de áudio, voz, vídeo e dados (com gateway multimídia). Em tal ambiente, cabe ao gateway multimídia encaminhar seletivamente o tráfego stream pertinente aos serviços multimídia de áudio, vídeo ou voz, por exemplo, ou até mesmo elástico, pertinente a serviços de dados, por exemplo, para suas respectivas aplicações receptoras no(s) host(s) que as executa(m), nesse caso utilizando de 2982

4 identificadores distintos armazenados no cabeçalho dos pacotes IP de tais tráfegos, conforme descrito na seção seguinte Encaminhamento seletivo A estrutura funcional do gateway multimídia está embasada nos campos ToS do IPv4 e TC do IPv6, tidos como DSCP [RFC 2474] e ECN [RFC 3168], de modo que o encaminhamento seletivo dos múltiplos tráfegos stream e/ou elástico intermediados por ele se dê por meio de identificadores únicos e exclusivos armazenados em tais campos. Nesta estrutura, utilizando-se apenas do campo DSCP, de 6 bits de comprimento (uma vez que o campo ECN, de 2 bits de comprimento, refere-se a notificações de congestionamento), é possível realizar a definição de até 64 (2 6 ) classes de tráfegos distintas, associadas a um determinado tipo (grupo) de comportamento de tráfego como, por exemplo: BE (Best Effort) ou DF (Default Forwarding): para tráfegos de melhor esforço (sem a necessidade de tratamentos específicos perante à rede); EF (Expedited Forwarding), RFC 3246: para tráfegos sensíveis a perdas, atrasos e variações de atrasos; AF (Assured Forwarding), RFC 2597: para tráfegos com garantias de taxas de transmissão com bases em condições previamente definidas; CS (Class Selector): para manter a compatibilidade com tráfegos que utilizam os valores de precedência do ToS do IPv4. Neste contexto, considerando, apenas os serviços multimídia de dados, áudio, voz e vídeo (utilizados para validar e testar o gateway multimídia), somente 2 desses 6 bits são necessários para identificar os tráfegos associados aos mesmos, em que os demais 4 bits restantes podem ser utilizados para, por exemplo, identificar fluxos (canais) de transmissão distintos para cada um desses 4 serviços. Esta abordagem, além de explorar de uma melhor maneira o campo DSCP (evitando, por exemplo, o desperdício de utilização de seus bits), possibilita, no protocolo IPv4, a pseudo implementação do campo Flow Label presente no cabeçalho do protocolo IPv6, viabilizando a identificação de fluxos (canais) distintos para variados tipos de tráfego stream ou elástico através de tal campo (sem a necessidade de utilização de outros campos do cabeçalho do protocolo IP, inexistentes para esse propósito no IPv4). Desta forma, considerando-se os 6 bits disponíveis no campo DSCP, propõe-se, na Figura 4, a utilização dos 2 primeiros bits para identificação dos serviços multimídia de dados, áudio, voz e vídeo e os 4 bits seguintes para identificação dos fluxos (canais) de transmissão quanto à tais serviços: 2983

5 Figura 4. Proposta de organização de bits para o campo DSCP. Para tal, propõem-se os seguintes identificadores para os serviços de dados, áudio, voz e vídeo e seus respectivos fluxos (canais) de transmissão (Tabela 1): Tabela 1. Identificadores para os serviços de dados, áudio, voz e vídeo e seus fluxos (canais) de transmissão. Tipo de serviço Identificador do serviço Dados 00 Áudio 01 Voz 10 Vídeo 11 Identificador do Fluxo (canal) do Serviço de 0000 até 1111 (16, 2 4, canais) Note que tal abordagem (organização de bits) pode ser facilmente adequada para suportar mais ou menos serviços, aumentando-se ou diminuindo-se os bits utilizados para a identificação do serviço e/ou os bits utilizados para identificação de seus fluxos (canais), porém respeitando o limite de 6 bits disponível em tal campo. 3. Validação e Resultados Para validar o mecanismo de encaminhamento seletivo de pacotes provido pelo gateway multimídia, bem como de eventuais influências do mesmo quanto ao perfil (características) do tráfego por ele intermediado, utilizou-se o gerador de tráfego multimídia proposto por [Pinotti et al. 2011] e a ferramenta Iperf. O gateway multimídia foi posicionado como módulo complementar ao sistema receptor, sendo responsável por encaminhar os pacotes IP recebidos do sistema transmissor para seu respectivo host receptor. Um adaptador de tráfego multimídia foi utilizado para rotular os pacotes IP enviados pelo sistema transmissor conforme seus serviços multimídia de áudio, voz, vídeo e dados (Figura 5). 2984

6 Figura 5. Ambiente de rede utilizado para validar o mecanismo de encaminhamento seletivo de pacotes provido pelo gateway multimídia. Quanto às configurações de endereçamento IP, os hosts transmissor e receptor do conteúdo multimídia estão logicamente organizados em redes distintas, em que o elo de comunicação de ambos com a rede se dá, respectivamente, pelo adaptador de tráfego multimídia (no sistema transmissor) e pelo gateway multimídia (como módulo complementar do sistema receptor), conforme ilustra a Figura 6: Figura 6. Endereçamento de rede do ambiente para validação e testes com o gateway multimídia. Em tal ambiente, o gateway multimídia, assim como o adaptador de tráfego multimídia, possui quatro endereços de rede (dois endereços IPv4 e dois endereços IPv6), enquanto os hosts transmissor e receptor do conteúdo multimídia possuem dois endereços de rede cada (um endereço IPv4 e um endereço IPv6), conforme descrito na Tabela 2: Tabela 2. Endereçamento IPv4 e IPv6 dos hosts do ambiente para validação e testes com o gateway multimídia. Host Endereço IPv4 Endereço IPv6 Transmissor FD00:0:0:1::1 Adaptador de tráfego multimídia e FD00:0:0:1::2 e FD00::1 Gateway multimídia e FD00::2 e FD00:0:0:2::2 Receptor FD00:0:0:2::1 2985

7 Quanto às aplicações transmissora e receptora do conteúdo multimídia, para validar o encaminhamento seletivo de pacotes IP com base em seus DSCPs, ambas foram configuradas de modo distinto quanto às suas portas de envio e recebimento de informações, de modo que seus tráfegos fossem transmitidos ao gateway multimídia (e não diretamente ao host receptor), em portas distintas quanto à aplicação receptora, e ele (gateway multimídia), com base nos DSCPs de tais tráfegos, os encaminhasse corretamente à porta/aplicação correta no sistema receptor. Neste contexto, na aplicação transmissora, o tráfego de dados foi enviado à porta 6111/TCP do gateway multimídia para que este fosse encaminhado, com base em seu DSCP, à aplicação receptora em execução na porta 6001/TCP do host receptor; o tráfego de áudio foi enviado à porta 7111/UDP do gateway multimídia para ser encaminhado, com base em seu DSCP, à aplicação receptora na porta 7001/UDP do host receptor; o tráfego de voz foi enviado à porta 8111/UDP do gateway multimídia para ser encaminhado, com base em seu DSCP, à aplicação receptora na porta 8001/UDP do host receptor; e, o tráfego de vídeo foi enviado à porta 9111/UDP do gateway multimídia para, com base em seu DSCP, ser encaminhado à aplicação receptora na porta 9001/UDP do host receptor. Neste cenário, por meio de definições de encaminhamento embasadas no DSCP do IPv4 e do IPv6 (Figura 7), o gateway multimídia deve distinguir e encaminhar os diferentes fluxos de tráfego multimídia (dados, áudio, voz e vídeo) à sua respectiva aplicação receptora, não modificando as características de modelagem de tais fluxos de tráfego, bem como não influenciando em questões quanto à erros e atrasos, dentre outros. Figura 7. Definições de encaminhamento de pacotes IPv4 (esquerda) e IPv6 (direita) por meio de DSCPs específicos junto ao gateway multimídia. Neste caso, os pacotes IP com DSCPs 0x00 (dados), 0x10 (áudio), 0x20 (voz) e 0x30 (vídeo) devem ser encaminhados para aplicações específicas (em execução nas portas 6001, 7001, 8001 e 9001, respectivamente) do host receptor (de endereços IPv e IPv6 fd00:0:0:2::1). Quanto à validação do encaminhamento seletivo propriamente dito, nesse caso referindo-se ao serviço de dados, a Figura 8 ilustra os pacotes IPv4 e IPv6 enviados pelo sistema transmissor ao gateway multimídia para que sejam encaminhados ao host receptor (aplicação receptora): 2986

8 (a) (b) Figura 8. Encaminhamento seletivo para o tráfego de dados (DSCP 0x00 ) no IPv4 (a) e no IPv6 (b). Observe que o tráfego gerado pelo sistema transmissor é enviado ao gateway multimídia na porta 6111/TCP que, com base no DSCP 0x00 (dados), o encaminha para o host receptor na porta 6001/TCP. No item (a) da figura anterior, o pacote de número 15 mostra o host transmissor (endereço IPv ) enviando uma requisição TCP ao gateway multimídia (endereço IPv ) na porta de destino de número Em seguida, no pacote de número 16, o gateway multimídia, com base no DSCP 0x00 (dados), o encaminha para o host receptor (endereço IPv ) na porta TCP de número Por sua vez, no pacote de número 17, o host receptor confirma o recebimento do pacote IP ao gateway multimídia que, no pacote 19, confirma o recebimento do pacote ao host transmissor. Ao final, no pacote de número 20, o host transmissor confirma o estabelecimento da conexão TCP com o gateway multimídia (na porta 6111/TCP) que, no pacote de número 21, realiza o mesmo procedimento com o host receptor, confirmando o estabelecimento da conexão TCP na porta 6001 de tal host e viabilizando todo o processo de comunicação seguinte a tal estabelecimento de conexão TCP. De modo similar ao IPv4, no item (b) da Figura 8, para o IPv6, nos pacotes de número 2, 3 e 5, há o estabelecimento da conexão TCP entre os hosts transmissor (endereço IPv6 FD00:0:0:1::1) e o gateway multimídia (endereço IPv6 FD00:0:0:2::2), tendo como base a porta 6111/TCP. Por sua vez, novamente com base no DSCP associado ao pacote IP em questão, nos pacotes de número 8, 9 e 10, o gateway multimídia o encaminha ao host receptor (endereço IPv6 FD00:0:0:2::1), estabelecendo a conexão TCP junto a porta 6001 de tal host. 2987

9 Quanto ao host receptor, para ele só há o estabelecimento de conexão partindo do gateway multimídia em sua porta 6001/TCP (Figura 9, no IP4 e no IPv6, respectivamente), em que o encaminhamento seletivo se mostra transparente à aplicação receptora: (a) (b) Figura 9. Tráfego de dados recebido pelo host receptor utilizando IPv4 (a) e IPv6 (b). De modo similar ao serviço de dados, este mesmo processo de encaminhamento seletivo baseado no DSCP dos pacotes IP também ocorre para os serviços de áudio (DSCP 0x10, com pacotes recebidos na porta 7111/UDP do gateway multimídia e encaminhados à porta 7001/UDP do host receptor, Figura 10), voz (DSCP 0x20, com pacotes recebidos na porta 8111/UDP do gateway multimídia e encaminhados à porta 8001/UDP do host receptor, Figura 11) e vídeo (DSCP 0x30, com pacotes recebidos na porta 9111/UDP do gateway multimídia e encaminhados à porta 9001/UDP do host receptor, Figura 12). 2988

10 (a) (b) Figura 10. Encaminhamento seletivo para o tráfego de áudio (DSCP 0x10 ) no IPv4 (a) e no IPv6 (b). (a) (b) Figura 11. Encaminhamento seletivo para o tráfego de voz (DSCP 0x20 ) no IPv4 (a) e no IPv6 (b). 2989

11 (a) (b) Figura 12. Encaminhamento seletivo para o tráfego de vídeo (DSCP 0x30 ) no IPv4 (a) e no IPv6 (b). Quanto ao percentual de datagramas perdidos, tempos de transmissão e variações de atraso, 5 testes distintos (T1 à T5) foram realizados de modo a comparar os tráfegos intermediados e não intermediados pelo gateway multimídia. Utilizando a ferramenta Iperf, foram realizadas transmissões stream sobre o protocolo UDP de 10 Mb, 100 Mb e 1 Gb, respectivamente. Neste contexto, no que se refere ao percentual de datagramas perdidos, as médias obtidas durantes os 5 testes envolvendo as transmissões intermediadas e não intermediadas pelo gateway multimídia, foram exatamente as mesmas, demonstrando que não houve influência deste quanto ao intermédio e encaminhamento de fluxos de tráfego ao sistema transmissor. Os resultados quanto a tais testes estão descritos na Tabela 3: Tabela 3. Percentuais de datagramas perdidos com tráfegos não intermediados e intermediados pelo gateway multimídia. Percentual de datagramas perdidos Tráfego Sem o Gateway Multimídia Com o Gateway Multimídia stream de T1 T2 T3 T4 T5 Média T1 T2 T3 T4 T5 Média 10 Mb 4,3% 4,3% 4,4% 4,3% 4,3% 4,3% 4,3% 4,3% 4,3% 4,3% 4,3% 4,3% 100 Mb 4,7% 4,7% 4,7% 4,7% 4,7% 4,7% 4,7% 4,7% 4,7% 4,7% 4,7% 4,7% 1 Gb 4,8% 4,8% 4,8% 4,8% 4,8% 4,8% 4,8% 4,8% 4,8% 4,8% 4,8% 4,8% Quanto aos tempos de transmissão envolvendo o intermédio e o não intermédio do gateway multimídia, os resultados obtidos em ambos os casos foram praticamente os mesmos em todos os testes, com apenas uma distinção de 0,10 segundos no teste T5 na 2990

12 transmissão de 100Mb intermediada pelo gateway multimídia. Os resultados quanto a tais testes estão descritos na Tabela 4: Tabela 4. Tempos de transmissão com tráfegos não intermediados e intermediados pelo gateway multimídia. Tempo de transmissão (em segundos) Tráfego Sem o Gateway Multimídia Com o Gateway Multimídia stream de T1 T2 T3 T4 T5 Média T1 T2 T3 T4 T5 Média 10 Mb 0,80 0,80 0,80 0,80 0,80 0,80 0,80 0,80 0,80 0,80 0,80 0, Mb 8,30 8,40 8,40 8,40 8,30 8,36 8,30 8,40 8,40 8,40 8,40 8,38 1 Gb 85,50 85,50 85,50 85,50 85,50 85,50 85,50 85,50 85,50 85,50 85,50 85,50 Por sua vez, no que se refere ao jitter envolvendo as transmissões intermediadas e não intermediadas pelo gateway multimídia, assim como esperado, a variação no atraso é reduzida nos ambientes intermediados pelo gateway multimídia, uma vez que este favorece as distâncias utilizadas para tal. Os resultados quanto a tais testes estão descritos na Tabela 5: Tabela 5. Variações de atrasos (jitter) com tráfegos não intermediados e intermediados pelo gateway multimídia. Jitter (em milissegundos) Tráfego Sem o Gateway Multimídia Com o Gateway Multimídia stream de T1 T2 T3 T4 T5 Média T1 T2 T3 T4 T5 Média 10 Mb 0,024 0,010 0,010 0,011 0,012 0,0134 0,012 0,013 0,010 0,012 0,011 0, Mb 0,013 0,008 0,010 0,012 0,014 0,0114 0,013 0,011 0,009 0,011 0,012 0, Gb 0,011 0,009 0,010 0,011 0,010 0,0102 0,010 0,009 0,009 0,010 0,009 0,0094 Por fim, informações de monitoramento e gerência quanto ao gateway multimídia podem ser obtidas por meio do protocolo SNMP, tais como utilização de interfaces de rede, recursos de processamento, recursos de memória e processos em execução (Figura 13), dentre outros. Figura 13. Informações de gerência e monitoramento do gateway multimídia podem ser obtidas via SNMP (Exemplo: tráfego de rede). 2991

13 4. Conclusões e trabalhos futuros Este artigo apresentou os resultados pertinentes ao mecanismo de encaminhamento seletivo de pacotes provido por um gateway multimídia baseado em IP (mais especificamente nos campos ToS do IPv4 e TC do IPv6), fornecendo recursos para inspeção, processamento e encaminhamento seletivo de pacotes IP, sendo este passível de utilização em qualquer ambiente de rede embasado em tal protocolo. Os resultados obtidos mostram que é possível realizar encaminhamentos seletivos para tráfegos de dados, áudio, voz e vídeo com base em identificadores associados à tais tráfegos e que gateway multimídia não afeta tais tráfegos quanto à atrasos, variações de atrasos e perda de pacotes, dentre outros. Desta forma, conclui-se que o gateway multimídia pode ser utilizado como ferramenta complementar no estudo e análise de soluções voltadas às redes multimídia, de modo geral, fornecendo recursos para a inspeção, processamento e encaminhamento seletivo de tráfegos multimídia, bem como de recursos para seu monitoramento e gerência via SNMP, dentre outros. Quanto aos trabalhos futuros, espera-se ampliar os mecanismos funcionais do gateway multimídia quanto à identificação e classificação dos fluxos de tráfego por ele intermediado, do fornecimento de estatísticas e relatórios quanto sua utilização por meio de ferramentas próprias e customizáveis e da implementação de uma interface amigável para sua utilização. Agradecimentos Os autores registram seus agradecimentos a CAPES, CNPq, FAEPEX e FAPESP pelo apoio ao respectivo projeto de pesquisa, bem como aos demais projetos amparados por estas. Referências Diorio, R. F.; Timóteo, V. S.; Ursini, E. L. (2014). Testing an IP-based Multimedia Gateway. INFOCOMP (UFLA. Impresso), v. 13, p Haimi-Cohen, R.; Hearn, J.; Scheutzow, M.; Levy, E.P.; Wu, L.J.; Livescu, D.; Wilford, P.A. (2012). Flexible and robust video delivery based on self-contained multimedia segments. Sarnoff Symposium (SARNOFF), th IEEE. IEEE Conference Publications. Kamadyta, A.; Bandung, Y.; Langi, A. Z. R. Performance analysis of supporting QoS for multimedia in IEEE e (2012). Cloud Computing and Social Networking (ICCCSN), IEEE Conference Publications. Pinotti, F. L. Oliveira, T. R. B. Ursini, E. L. Timóteo, V. S. (2011). An IP-based multimedia traffic generator. Proceedings of the International Workshop on Telecommunications IWT. Salman A. A Simulation-Based Comparison of Multimedia Traffic Prioritization Schemes for High-Performance Input-Queued Packet Switches (2006). King Fahd University of Petroleum and Minerals Dhahran, Saudi Arabia. Wang, W. Zhang, X.; Shi, W.; Lian, S.; Feng, D. (2012). Understanding and Analyzing Network Traffic. IEEE Journals and Magazines, v.26, p