TRABALHO DE TELEFONIA IP

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1 1 Faculdade Lourenço Filho Curso de Redes de Computadores TRABALHO DE TELEFONIA IP QoS - Serviços Diferenciados Equipe: Afonso Sousa Jhonatan Cavalcante Israel Bezerra Wendel Marinho Professor: Fabio Fortaleza/2014.1

2 2 SUMÁRIO INTRODUÇÃO DESENVOLVIMENTO CONCLUSÃO BIBLIOGRAFIA... 16

3 3 INTRODUÇÃO Com o crescimento da Internet houve um grande desenvolvimento e investimento na infraestrutura das operadoras telefônicas e Empresas. Sendo que nos dias atuais a maioria das aplicações e programas desenvolvidos, utilizam recursos que são executados parcialmente ou totalmente na Internet, como: atualizações de sistemas operacionais, atualizações de antivírus, correio eletrônico, videoconferência, VoIP (Voz sobre IP), transações de dados, etc. Inicialmente o foco principal do trabalho era de apenas de serviços diferenciados, tratando a qualidade dos pacotes de dados e voz trafegados. Porém, com o grande fluxo de dados na rede, o grande volume de aplicações utilizando o recurso da Internet, e o aumento gradativo de novos serviços, houve a necessidade de pesquisar e implementar técnicas de QoS (Qualidade de Serviço), para garantir melhor desempenho e qualidade em dados e voz sobre IP.

4 4 DESENVOLVIMENTO Serviços diferenciados (DiffServ) É baseado no tratamento diferenciado de classes, podendo manipular diferentes tipos de classes de varias maneiras dentro da rede. Este tratamento é repetido nó a nó, ou seja, os pacotes de uma aplicação prioritária quando chegam a um nó (roteador) são separados e recebem um tratamento diferenciado. (...) tudo começa no byte ToS (Type of Service) que fica dentro do cabeçalho do IPv4. Como o ToS é um byte, ele é obviamente composto de 8 bits, sendo que apenas 6 bits são utilizados propriamente para formação do DS Field (Campo dos Serviços Diferenciados) e os outros dois bits são tidos como reservados. O DS Field é quem define o tal do DSCP que significa DiffServ Code Point. Como ele é composto de 6 bits, temos em decimal então uma permutação de 2 elevado a 6 que é 64 valores possíveis, variando portanto de 0 a 63. Essa faixa de valores é que define literalmente a marcação dos pacotes. De antemão, todo pacote BestEffort (BE) ou Melhor Esforço é tratado como DSCP 0 ou em binário (FALSARELLA, 2009, p. 1). Para obter serviços diferenciados, a rede tenta entregar um determinado tipo de serviço com base no QoS especificado por cada pacote, sendo assim, classificados, marcados, policiados, priorizados, descartados, e enviados pelo roteador de origem, até o roteador de destino (figura 8). Figura 8: Classificação dos pacotes e policiamento

5 5 Fonte: Kurose, 2006, p.496 Classificações, Marcação, e Policiamento A classificação identifica os grupos de pacotes que receberão um determinado tratamento. Eles podem ser classificados de acordo com critérios variados, onde os roteadores realizam a marcação dos pacotes, e separam os pacotes que entram na rede através de diversas classes de serviço (EF, AF, Default, etc.), onde são classificados com base nas portas TCP dos aplicativos (figura 1). Figura 1: Classes de serviço Fonte: Falsarella, 2009 O DiffServ também são identificados pelos roteadores através de valores decimais, onde cada valor representa uma classe de serviço (tabela 2). Estes valores são derivados dos 6 bits do campo do DiffServ. Tabela 2: Valores decimais DiffServ Fonte: Haden, 2009 DSCP BINARY DECIMAL DSCP BINARY DECIMAL Default CS CS AF AF AF AF AF AF CS CS EF AF CS AF CS AF CS AF AF AF

6 6 O policiamento analisa e gerencia a capacidade total de largura de banda na rede, sendo que, quando a ultrapassem do limite de tráfego contratado, ocorre o descarte ou remarcação dos pacotes não identificados em nem uma das classes (figura 2). Compressões de cabeçalho Figura 2: Policiamento de pacotes Fonte: Cisco Systems A tecnologia de compressão de cabeçalho possui características de otimizar a rede, diminuído congestionamentos ocorrentes. Este recurso tem a principal finalidade de comprimir cabeçalhos de protocolos em varias camadas do modelo OSI (Open Systems Interconnection), alguns exemplos são: TCP, RTP (Real-time Transport Protocol protocolo utilizado em aplicações de tempo real), IP, UDP, reduzindo o tamanho (frame) dos dados que circulam na rede. Figura 3: Compressão de cabeçalho RTP Fonte: Silva, 2000

7 7 A compressão de cabeçalho é normalmente utilizada em redes que trafegam voz e vídeo, onde necessitam de largura de banda, e são serviços que utilizam protocolo de tempo real (figura 3). Portanto, o uso do crtp (compressão de cabeçalho) não é sugerido em enlaces de alta velocidade, uma vez que a relação custo versus benefício pode não compensar (SILVA, 2000, p. 1). Fragmentações e Interleaving Os pacotes de voz e vídeo são extremamente sensíveis a atraso, portanto devem ser intercalados, e fragmentados, dentro de uma rede de dados. (...) um pacote VoIP pode precisar esperar até 187,5 ms antes de poder ser enviado se o atraso ocorrer atrás de um único pacote de 1500 bytes em uma ligação de 64 kbit/s. Os pacotes VoIP são normalmente enviados a cada 20 ms. Com um orçamento de atraso de ponta a ponta de 150 ms e requisitos de variação de sinal estrita, uma lacuna de mais de 180 ms é inaceitável. É necessário um mecanismo que garanta que o tamanho de uma unidade de transmissão seja menor que 10 ms. Qualquer pacote que tenha um atraso de serialização maior que 10 ms precisam ser fragmentado em blocos de 10 ms. Um bloco ou fragmento de 10 ms é o número de bytes que pode ser enviado pela ligação em 10 ms. (CISCO SYSTEMS, 2006). Para que haja a necessidade de fragmentar e intercalar um pacote, o mesmo deve ser maior do que o valor total de capacidade do link (tabela 3). Tabela 3: Velocidade do link e tamanho da fragmentação Fonte: Cisco Systems, 2006 VELOCIDADE DOLINK TAMANHO DA FRAGMENTAÇÃO (BYTES) (KBIT/S) (Não é exigida fragmentação se o tamanho da fragmentação for maior do que o tamanho do link.)

8 8 Conformidades de tráfego (Traffic Shaping) O Traffic Shaping tem o objetivo de adequar o tráfego da rede ao perfil contratado pelo cliente, através de buffers de saída que armazenam as maiores rajadas de trafego, e os transmitem dentro dos limites de capacidade do link. Figura 4: Conformidade de tráfego (Traffic Shape) Fonte: Cisco Systems Portanto o objetivo principal do recurso de QoS Traffic Shaping, é evitar que pacotes sejam descartados na rede, colocando os em uma fila de espera, até que possam ser enviados. Algoritmos de Enfileiramento de Pacotes Congestionamentos podem ocorrer em qualquer lugar dentro de uma rede, ocorrendo desigualdades de velocidade, falta de prioridades, etc. Portanto este fato é causado pelo alto fluxo de dados que às vezes ultrapassa a capacidade do canal de transmissão (link) por onde passa as aplicações (figura 5). (...) em qualquer rede de comunicação, cada aplicação compete com outras pela largura de banda que ela precisa para obter uma ótima performance. Além de assegurar-se que há largura de banda suficiente, uma performance aceitável depende que os requisitos de largura de banda para cada aplicação também sejam satisfeitos. As soluções com esse fim incluem segregar o tráfego em links individuais ou usar mecanismos de QoS para designar níveis de largura de banda variáveis para cada aplicação, dentro de um link. (MAURICIO, 2008).

9 9 Figura 5: QoS em aplicações multimídia Fonte: Mauricio, 2008 Qualidade de serviço (QoS), é composta por vários componentes (algoritmos), que associados, trabalham em prol da administração e prevenção de congestionamento. Estes componentes foram projetados para servir necessidades diferentes de trafego, através de filas bem projetadas. Alguns exemplos de algoritmos de enfileiramento são: First In, First Out (FIFO) - armazena os pacotes em uma fila única de acordo com a ordem de chegada na fila (figura 14), até que o envio de dados seja disponibilizado nas interfaces de Roteadores e switches (equipamento responsável pelo encaminhamento de pacotes a diversos pontos dentro de uma rede local). Figura 6: Funcionamento filas FIFO Fonte: Silva, 2000 Priority Queuing (PQ) são atribuídos prioridades (baixa, normal, media, alta) aos pacotes, e em seguida, são adicionados as filas com suas respectivas características prioritárias (figura 7), onde os pacotes não marcados serão classificados como de prioridade normal (default). Figura 7: Funcionamento filas Priority Queuing Fonte: Silva, 2000

10 10 Weighted Fair Queueing os pacotes são alocados a uma classe (voz, , etc.), e em seguida, após serem classificados de acordo com sua precedência, recursos, e indicadores, os mesmos são enviado à rede de destino. Este algoritmo proporciona uma justa distribuição de banda na rede, melhorando o seu desempenho. Este algoritmo tem a capacidade de fazer com que fluxos que estejam enfrentando congestionamento, por exemplo, possam ser atendidos com uma menor frequência em relação aos outros (figura10). Figura 8: Funcionamento filas Weighted Fair Queueing Fonte: Silva, 2000 Codecs Segundo Gimenes (2003) diferentes técnicas de escalonamento (redução ou compactação de processos) podem ser utilizadas conforme o tipo de tráfego a ser transmitido, de forma a suprir a necessidades específicas de diferentes usuários. Um componente de estrema importância para a transmissão de voz em uma rede de dados são os áudioscodec. Eles possuem a função de codificar e decodificar um sinal (exemplo: voz, vídeo), ou seja, transformar sinal analógico em um sinal digital. Existem vários tipos de codec, onde cada um possui características diferentes de qualidade de voz (mos score), consumo de banda (bit rate), delay (tabela 4).

11 11 Tabela 4: Lista de Codecs de áudio Fonte: Cisco Systems, 2009 MÉTODO DE BIT RATE MOS DELAY COMPRESSÃO (KBIT/S) SCORE (MS) G.711 PCM G.726 ADPCM G.728 LD-CELP a 5 G.729 CS- ACELP G.729 x 2 Encodings G.729 x 3 Encodings G.729a CS- ACELP G MP- MLQ G ACELP Listas de Acesso (Access-Lists) As Listas de acesso ou lista de controle de acesso têm a finalidade de permitir, ou negar, um serviço, por exemplo, um determinado IP, servidores, impressora, aplicativo, ou seja, qualquer dispositivo na rede. Estes parâmetros de filtragem de pacotes são normalmente implementados em roteadores e switches, principalmente em grandes redes que utilizam qualidade de serviço. (QoS). IOS (Internet Operating System) O Internet Operating System (IOS) é um software proprietário da empresa Cisco Systems, utilizado em roteadores e switches para interpretar comandos e características básicas de protocolos de rede. O Cisco IOS é um software que contém instruções que controlam e gerenciam as atividades de um roteador e switch. Seus recursos são disponibilizados de acordo com suas versões operacionais, onde cada versão oferece serviços diferenciados, como: QoS, VoIP, Segurança, Correção de bugs, entre outros. Portando a escolha da melhor versão de IOS a ser utilizado nos roteadores e switches, irá depender da necessidade de cada rede.

12 12 Protocolos de Enlace de Dados As redes de comutação de pacotes pegam os dados e os quebram em pequenos segmentos chamados de pacotes, e logo em seguida, adicionam as informações de controle e transmitem os dados. Portanto os protocolos de enlace são responsáveis por conectar duas extremidades geograficamente separadas, possibilitando o tráfego de informações nos dois sentidos de transmissão. Serão abordados nesse trabalho dois protocolos utilizados no estudo de caso da empresa Eletrozema Ltda. Frame Relay O Frame Relay é um protocolo de comunicação de dados padronizado internacionalmente pelos órgãos: ITU-T - International Telecommunication Union ANSI - American National Standards Institute Figura 9: Rede Frame Relay Fonte: Cisco Systems Está Tecnologia opera na camada física e de enlace do modelo OSI, onde é definido dentro da rede um caminho lógico, que age como uma linha privada. Este caminho é chamado de circuito virtual (VC). Estes circuitos virtuais podem ser: Permanentes (PV) - caminhos fixos entre dois nós, que sempre estão com acesso disponível. Comutados (SVC) a conexão é feita de forma dinâmica baseada na requisição do usuário, ou seja, ele é baseado em chamadas. Um circuito virtual Frame Relay também é composto por um endereço chamado de DLCI (Data Link Connection Identifier). Este endereço é atribuído pela empresa de telecomunicações á qual é feito o aluguel do link. O DLCI possui um significado de endereçamento local na rede ou nuvem da operadora, onde é feito a leitura deste endereço, e em seguida o encaminhamento a rede de destino (figura 9).

13 13 MPLS (Multi-Protocol Label Switching) O MPLS é uma tecnologia de comutação de dados padronizada pela IETF, funciona em um paradigma baseado em rotulo, rotulando pacotes conforme entrada e saída na rede, ou seja, os dados são processados e divididos em classes de serviço, e em seguida enviados através de caminhos que foram determinados pelas classes. O MPLS trabalha entre as camadas 2 (enlace) e 3 (rede) do modelo OSI, sendo determinando por alguns autores como camada 2,5 (dois e meio) do modelo OSI. Figura 10: Rede MPLS Fonte: Mauricio, 2006 O protocolo possui vários componentes responsáveis pelo encaminhamento de pacotes, são eles: Label - seria uma abreviação do cabeçalho do pacote, de tamanho curto e significado local. Label Switch Path (LSP) - seria o caminho onde os pacotes irão percorrer em uma rede MPLS. Label Distribution (LDP) - protocolo responsável por distribuir os label entre os roteadores. Forwarding Equivalency Class (FEC) - conjunto de regras que irão determinar para qual caminho o pacote seguir para chegar a classe que ele pertence.

14 14 Label Information Base (LIB) - tabela de encaminhamento, que adiciona ou remove um label a um pacote, direcionando o pacote ao caminho a qual deve ser enviado. Label Switch Router (LSR) - são os roteadores de comutação de rótulos, que ficam situados nas bordas, e no núcleo da rede MPLS. O protocolo MPLS é definido pelo IETF (Internet Engineering Task Force) e consiste em uma tecnologia de chaveamento de pacotes que proporciona o encaminhamento e a comutação eficientes de fluxos de tráfego através da rede, apresentando-se como uma solução para diminuir o processamento nos equipamentos de rede e interligar com maior eficiência redes de tecnologias distintas. O termo "Multiprotocol" significa que esta tecnologia pode ser usada sob qualquer protocolo de rede. Considerando a Internet e a importância de seus protocolos nas varias WAN s publicas e privadas, tem-se aplicado o estudo e implementação do MPLS basicamente para redes. (MAURICIO, 2006).

15 15 CONCLUSÃO Concluímos que a qualidade de serviço existe outros mecanismos para controle de tráfego, de congestionamento, e de enfileiramento. Portanto as técnicas utilizadas em serviços diferenciados de QoS vem sendo aplicadas no crescimento das redes IP de alta velocidade nas empresas de médio e grande porte tende a crescer a cada ano, pelo fato das corporações necessitarem cada vez mais de comunicações seguras, disponíveis, e ágeis. Sendo assim, proporcionando cada vez mais a unificação das aplicações de voz e dados.

16 16 BIBLIOGRAFIA TANENBAUM, Andrew S. Redes de Computadores. 4. Ed. São Paulo: Ed. Campus, p. CISCO SYSTEMS. Implementing Cisco Quality of Service volume 1-2 version 2.2, EUA, MAURICIO, J. Convergência de Voz e Dados em Redes de Computadores, Brasil, Disponível em: php Acesso em 27/08/09. FALSARELLA, Douglas. Qualidade de Serviço - componentes do QoS, Brasil, Disponível em: Acesso em 10/09/09.