Universidade Santa Cecília - UNISANTA Voz Sobre IP Aspectos de Qualidade Prof. Hugo Santana 2004 Qualidade de Serviço 1. Introdução: conceitos e definições. 2. Mecanismos utilizados: Classificação e priorização de tráfego; Controle de congestionamento; Policiamento e formatação de tráfego. 3. Arquiteturas de Rede voltadas à QoS: Integrated Services e RSVP; Differentiated Services; MPLS. 4. Considerações Finais.
A necessidade de QoS Crescimento explosivo de tráfego de informações: Internet, aplicações de missão crítica, multimídia; Aplicações distintas demandam recursos variados das redes de comunicações. O que fazer? Redes convergentes NW Servers ICW Service Provider EC NW Application PINT Servers VPN SCP GK/C QoS A Policy Billing Infrastructure Servers 3rd Party Application Servers Remote Remote Medical Educatio treatment n SGW SS7 NW Management System NMS Analog/ISD N H.323 Corporate NW LA N PBX xdsl IP, ATM IP CATV NW Access GW Packet Backbone Network High Speed Wireless Access WLL Core IP/ATM SW Photonic Network (SDH, DWDM) Trunk GW Media Gateway Data NW (IP,FR,CR) PSTN (Fixed & Mobile) WLL IP Access GW, Local SW xdsl Analog/ISDN Mas: IP = best effort service...
O que é Qualidade de Serviço? Habilidade da rede em garantir e manter certos níveis de desempenho para cada aplicação de acordo com as necessidades específicas de cada usuário. Parâmetros de QoS Fatores que influenciam a qualidade do sinal de voz em redes de pacotes: Largura de banda; Perda de pacotes; Atraso das amostras de voz; Jitter (variação de atraso).
Largura de banda A banda utilizada pela voz é função dos codificadores de voz utilizados e do empacotamento: Influencia o atraso e consequentemente a qualidade do sinal. Atraso do sinal de voz Recomendação G.114 da ITU-T: máximo atraso fim-a-fim (1-way) deve ser de 0 a 150 msec; de 150 a 400 msec: atraso aceitável, dependendo da aplicação; acima de 400 msec: qualidade inaceitável.
Atraso - componentes fixos Atraso de propagação: 6 microsegundos / Km; Atraso de serialização; Atraso de processamento: codificação / compressão; empacotamento. Jitter - variação do atraso
Atraso - componentes variáveis Enfileiramento; Buffer de compensação de jitter; Tamanho de pacote variável. Atraso - exemplo
Perda de pacotes A perda de pacotes pode ser causada por congestionamento da rede, atraso excessivo (time to live), buffer overflow, imperfeições na transmisão. 20% Perda 10% 5% Toll quality Good Useful 100 150 400 [ms] Atraso Mecanismos para prover QoS Mecanismos implementados nos nós da rede para garantir QoS: Classificação de tráfego; Priorização de pacotes; Controle de congestionamento; Policiamento e conformação de tráfego.
Classificação de tráfego Identificação do tráfego transportado por cada pacote, realizado na aplicação ou pelos dispositivos de rede. IP Precedence Precedence D T R 0 0 Precedence: 111 - Network control 110 - Internetwork control 101 - Critic/ECP 100 - Flash Override 011- Flash 010 - Immediate 001 - Priority 000 - Routine D: 0 = normal, 1 = low delay T: 0 = normal, 1 = high throughput R: 0 = normal, 1 = high reliability
Priorização de tráfego A priorização de tráfego trata do enfileiramento e disciplina de despacho dos pacotes presentes nas interfaces dos dispositivos da rede: First In, First Out (FIFO) Queuing; Priority Queuing (PQ); Class-based Queuing (CBQ); Weighted Fair Queuing (WFQ). FIFO Queuing É um dispositivo de armazenamento e envio de pacotes, onde a ordem de chegada dos pacotes determina a alocação de banda, sendo que o primeiro a chegar será o primeiro a ser atendido.
Priority Queuing Neste esquema é formado por filas distintas para diferentes classes de tráfego, onde a transmissão tem início pelo tráfego de maior prioridade e é realizada de forma exaustiva. Class-Based Queuing (CBQ) Uma fila para cada tipo de tráfego servida de forma cíclica, onde especifica-se o porcentual de banda do canal ou ainda o número de bytes a ser transmitido a cada ciclo. Similar à WRR (Weighted Round Robin) ou Custom Queuing (CQ).
Weighted Fair Queuing (WFQ) O esquema WFQ pondera os fluxos de tráfego, escalonando o tráfego prioritário para a frente da fila, reduzindo o tempo de resposta, e compartilha o restante da banda com outros tipos de tráfego. A atribuição de peso pode variar de forma dinâmica em função do tráfego. Weighted Fair Queuing
Comparação dos métodos de filas Esquema de seleção de filas
Controle de congestionamento RED: Random Early Detection É um mecanismo de prevenção e inibição de congestionamento, atuando via descarte antecipado de pacotes, sendo a probabilidade de descarte dependente da taxa de ocupação da fila. A eficácia deste método depende da reação do protocolo de transporte utilizado, que deverá controlar o fluxo de tráfego. No caso de UDP, a qualidade pode ser deteriorada pelo aumento da taxa de perda de pacotes. Controle de congestionamento Weighted RED: combinação do RED com IP Precedence A probabilidade de descarte é definida em função da taxa de ocupação da fila, do peso de cada pacote (valor do IP Precedence) e de haver ou não reservas de recursos associados ao fluxo (RSVP).
Policiamento e conformação de tráfego As funções de policiamento e conformação de tráfego identificam as violações de tráfego e reagem da forma: policiamento: descarta ou marca o pacote como elegível para descarte; conformação: atrasa o tráfego em excesso, deixando-o conforme os parâmetros definidos. A técnica mais utilizada para implementar estas funções é conhecida por Token Bucket, onde define-se uma taxa de transferência formal e alguns parâmetros, tais como comprimento de rajada, taxa média e intervalo de tempo de observação. Token Bucket as fichas são depositadas no balde numa taxa constante - se o balde estiver cheio, as fichas são descartadas; a transmissão do pacote consome do balde uma quantidade de fichas equivalente ao tamanho do pacote (em bytes); se o pacote chegar e não haver fichas suficientes no balde, o pacote será descartado ou elegível para descarte, ou ainda será atrasado até haver fichas suficientes no balde; não havendo pacotes a serem transmitidos, as fichas acumulam-se até a capacidade máxima do balde.
Conformação de tráfego Generic Traffic Shapping (GTS): mecanismo de controle do fluxo de tráfego aplicada numa interface utilizando o algoritmo do balde furado. Fragmentação A fragmentação e intercalação de pacotes de pacotes ajudam a homogeneizar o tráfego na rede e a reduzir o atraso médio e sua variação (jitter).
Compressão de cabeçalho RTP A técnica de compressão de cabeçalho RTP foi desenvolvida para aumentar a eficiência da utilização da largura de banda, pois em aplicações típicas, o cabeçalho do pacote de voz é de 40 bytes, enquanto a carga útil é de apenas 20 a 150 bytes. Arquiteturas de Rede Serviços Integrados (IntServ) & RSVP; Serviços Diferenciados (DiffServ); MPLS.
Serviços Integrados Classes de serviço oferecidos pela arquitetura IntServ: serviço garantido: aplicações em tempo real que requeiram banda garantida e limite para o atraso; serviço de carga controlada: melhor qualidade que best effort, mas inferior ao serviço garantido. Signalling required by end-stations for Resource-Reservation (RSVP) Sender Receiver IntServ - componentes Controle de admissão: decide se a requisição de recursos pode ser atendida; Classificador: classifica os pacotes de cada fluxo, encaminhando-os a fila adequada; Escalonador: gerencia o encaminhamento dos pacotes via utilização de filas e temporizadores para garantir o nível de QoS desejado; Protocolo de sinalização (RSVP): utilizado para efetuar a reserva de recursos na rede.
RSVP: Resource Reservation Protocol Protocolo de sinalização que permite aos hosts requisitarem níveis de QoS específicos para suas aplicações. As reqiusições do RSVP resultam, quando possível, em reservas de recursos na rede, de modo que esta possa prover o nível de QoS solicitado. A reserva de recursos é realizada através de mensagens PATH, que constroem o caminho pelo qual as mensagens RESV irão passar efetuando as reservas de recursos. IntServ - problemas Escalabilidade: a quantidade de informações de estado aumentam proporcionalmente ao número de fluxos, podendo resultar em sobrecarga de processamento e memória nos elementos centrais da rede; Complexidade dos roteadores: todos os dispositivos devem implementar RSVP, controle de admissão, classificação e escalonamento de pacotes; Para serviço garantido, a arquitetura tem de ser implementada de uma única vez.
Serviços Diferenciados A arquitetura DiffServ visa prover qualidade de serviço através de mecanismos de priorização de pacotes na rede. Os pacotes são classificados e processados segundo seu rótulo DSCP. Service = Conditioning + Behaviors DS Domain Conditioning at ingress devices Per-hop behaviour in transit nodes DSCP & PHB As classes de serviço são definidas pelo rótulo DSCP. IP Packet with DiffServ Fields Version Hdr Len TOS Total Len more IP Hdr 4 bit 4bit 1byte 2bytes 0 1 2 3 4 5 6 7 DSCP CU DiffServ Field (DSCP) defines Per-Hop Behavior (PHB) O comportamento por salto (PHB) é implementado pelos mecanismos de enfileiramento e controles vistos anteriormente.
Classes de tráfego Best Effort: aplicação obtém apenas os recursos disponíveis, sem garantias. 0 1 2 3 4 5 6 7 0 0 0 0 0 0 unused Assured Forward (AF): possui 4 classes de prioridade, sendo para cada classe 3 níveis de preferência de descarte. 0 1 2 3 4 5 6 7 Drop Class Precedence unused Expedite Forward (EF): tráfego de total prioridade. 0 1 2 3 4 5 6 7 1 0 1 1 1 0 unused IntServ & DiffServ
Multi-Protocol Label Switching Aplicações de MPLS: Qualidade de serviço; Privacidade (VPNs); Engenharia de tráfego. No core: encaminhamento dos pacotes usando os labels ao invés de endereços IP. No edge: classificação dos pacotes e alocação dos labels MPLS + DiffServ Packet classified by Destination and DiffServ Code Point (i.e. Class of Service) Behavior Aggregate (BA) get s mapped to LSP by LER. (multiple possible scenarios) IWF DiffServ enabled Network MPLS enabled Network with DIffServ capabilities
COPS COPS: Common Open Policy Server COPS + QoS server
Considerações Finais Passos na implementação de QoS em Redes IP: 1. Implementação de recursos de priorização de pacotes nos elementos da rede. 2. Aplicar recursos de DiffServ para classificação de tráfego. 3. Aplicar DiffServ no core e IntServ no acesso. 4. Implementação de MPLS para simplificar o roteamento e aumentar a diversidade de serviços e flexibilidade da rede IP. 5. Associar MPLS com RSVP e / ou MPLS com DiffServ.