Calidad de Servicio (QoS) en Redes TCP/IP
Metodología • Cla Clases ses Ma Magis gistra trales les (Vi (Viern ernes es - Sá Sábad bado) o) • Int Introd roducc ucción ión • Serv Servicios icios Inte Integrado gradoss • Serv Servicios icios Difer Diferencia enciados dos • Imple Implementa mentación ción de QoS end-toend-to-end end
• La Labo bora rato tori rio o • Conf Configura iguración ción básica básica de Routers Routers Cisco • Conf Configura iguración ción básica básica de Switches Switches • Conf Configura iguración ción de QoS en Routers Routers y Switches
• Tr Trab abajo ajo Fi Fina nall • Imple Implementa mentación ción de Política Políticass de QoS en una red convergente de VoIP y datos
Horario • Vie iern rnes es 18 18:0 :000 – 21 21:0 :000 • Sábado 8: 8:00 – 14:00
Metodología • Cla Clases ses Ma Magis gistra trales les (Vi (Viern ernes es - Sá Sábad bado) o) • Int Introd roducc ucción ión • Serv Servicios icios Inte Integrado gradoss • Serv Servicios icios Difer Diferencia enciados dos • Imple Implementa mentación ción de QoS end-toend-to-end end
• La Labo bora rato tori rio o • Conf Configura iguración ción básica básica de Routers Routers Cisco • Conf Configura iguración ción básica básica de Switches Switches • Conf Configura iguración ción de QoS en Routers Routers y Switches
• Tr Trab abajo ajo Fi Fina nall • Imple Implementa mentación ción de Política Políticass de QoS en una red convergente de VoIP y datos
Horario • Vie iern rnes es 18 18:0 :000 – 21 21:0 :000 • Sábado 8: 8:00 – 14:00
Bibliografía • RFC 2205, 2205, Resourc Resource e ReSerVat ReSerVation ion Protocol Protocol (RSV (RSVP) P) – Vers Version ion 1 Functional Specification. (RFC 2208, RFC 2209, RFC 2210) • RFC 2474, Definition Definition of the Differenctiated Differenctiated Service Field (RFC 2598, RFC 2594) • Evolution of Multiprotocol Multiprotocol Label Switching. Switching. IEEE Communications Communicatio ns 36, no.5 (May 1998) • Internet QoS QoS Architectures Architectures and Mechanisms Mechanisms for Quality of Service, Zheng Wang 2001 •CCNP ONT Quality of Sevice, Cisco Press. Amir S. Ranjbar. Feb. 2009
Contenido del Curso Parte I Quality of Service 1. Introducción a la QoS 2. Identificación y Comparación de los Modelos de QoS 3. Métodos para implementación de QoS en Routers Cisco 4. Resumen
Parte II Clasificación, Marcaje y NBAR 1. Introducción a la Clasificación y Marcaje de Tráfico 2. DiffServ, DSCP (Differenciated Services Code Point) y PHB (Per Hop Behavior) 3. Trust Boundaries (Límites de Confiabilidad) 4. NBAR (Network Based Application Recognition) 5. Resumen
Contenido del Curso Parte III Queuing y Manejo de Congestión 1. Introducción a Queuing y al Manejo de Congestión 2. Disciplinas de Queuing (FIFO, PQ, RR, WRR) 3. WFQ (Weighted Fair Queuing) 4. CBWFQ (Class Based Weighted Fair Queuing) 5. LLQ (Low-Latency Queuing) 6. Resumen
Parte IV Mecanismos de Congestion Avoidance (Prevención de Congestión), Policing (Vigilancia), Shaping (Modelado) y Link Efficiency 1. Introducción al Mecanismo de Congestion Avoidance 2. Traffic Shaping y Policing
Contenido del Curso 3. Mecanismos de Link Efficiency 4. Resumen
Parte V Implentación de QoS Pre-Classify y End-to-End QoS 1. Implementación de QoS Pre-Classify 2. Implementación de QoS End-to-End 3. Resumen
Parte I Quality of Service (QoS) 1. Introducción Redes Convergentes y parámetros de QoS BW Disponible End-to-End Delay Delay Variation o Jitter Packet Loss o Pérdidad de Paquetes Definición de QoS y los 3 pasos para su implementación Implementación de QoS
Redes Convergentes
Redes Convergentes • Una Red convergente soporta diferente tipos de aplicaciones (Voz, Vídeo, Datos, etc.) simultáneamente sobre una misma infraestructura IP. • Diferentes tipos de tráfico (aplicaciones) tienen diferentes características y requerimientos p.e: VoIP es sensible al retardo y jitter. En contraste otras aplicaciones no son sensibles al retardo o al jitter p.e: FTP. • Aplicaciones basadas en TCP son tolerantes a la pérdida de paquetes (packet loss) otras no (Vídeo, Voz) •Fallas en la red pueden afectar a todas las aplicaciones. Correctos mecanismos de Redundancia y Recuperación deben ser implementados • Mecanismo de Redundancia y Recuperación NO son suficientes para asegurar un buen desempeño de aplicaciones sensibles como Voz y Vídeo.
Redes Convergentes Los mayores retos que enfrenta una red convergente son: • Ancho de Banda Disponible: Múltiples Flujos compiten por un limitado ancho de banda • End-to-End Delay (Retardo End-to-End): Paquetes tienen que atravesar múltiples dispositivos y links que añaden retardo •Variación de Retardo (Jitter): Los paquetes en la red experimentan distintas cantidades de retardo •Pérdida de Paquetes (Packet Loss): Paquetes pueden ser desechados (dropping) si un link esta congestionado
ANCHO DE BANDA DISPONIBLE
Falta de Ancho de Banda
•El máximo BW de un Path es igual al BW del Link más lento •Múltiples flujos compiten por un mismo BW, resultando en un BW disponible mucho menor para un solo flujo •Una falta de BW puede tener impacto en el performance de las aplicaciones de red (retardo, pérdida de paquetes, etc.)
Soluciones a la Falta de Ancho de Banda
•Incrementar (Upgrade) BW del Link: Efectivo pero costoso •Enviar paquetes importantes primero: (Clasificar, marcar el tráfico y desarrollar mecanismos adecuados de encolamiento) •Usar compresión: Compresión del payload de capa 2, cRTP, header TCP.
Ejemplo de uso eficiente del Ancho de Banda
Para un uso eficiente del BW se pueden aplicar mecanismos avanzados de encolamiento y de Compresión de Header: • Voz: LLQ y cRTP • Tráfico Interactivo: CBWFQ y Compresión del Header de TCP
RETARDO END-TO-END
Tipos de Retardo
•Retardo por Procesamiento: Tiempo tomado por un dispositivo desde que toma un paquete en la interfaz de entrada, lo examina, y lo pone en el queue de la interfaz de salida. •Retardo por Encolamiento: El tiempo que un paquete pasa en el queue de salida de un dispositivo •Retardo por serialización: El tiempo que le toma a un dispositivo poner todos los bits de un paquete en el medio de tx
Tipos de Retardo cont.
•Retardo por Propagación: Tiempo tomado por un paquete en atravesar el medio de Tx de un Link (Existen medios de tx rápidos pe: Fibra Óptica). •Retardo End-to-End: Es igual a la suma de todos los retardos •En las redes BE (Best Effort) mientras los retardos de serialización y transmisión son fijos los retardos de encolamiento y de procesamiento son impredecibles •Aplicaciones sensibles no admiten retardos grandes e impredecibles.
Formas para reducir el Retardo
•Incrementar (Upgrade) BW del Link: Efectivo pero costoso •Priorizar Tráfico y enviar paquetes importantes primero: (Clasificar, marcar el tráfico y desarrollar mecanismos adecuados de encolamiento) •Re-priorizar el tráfico: Cuando un paquete entra en un dominio diferente (red del proveedor) tal vez su prioridad sea cambiada •Usar compresión: Compresión del payload de capa 2, cRTP, header TCP. .
Ejemplo del Uso de las Técnicas para reducir el retardo
El Router del Cliente realiza: •Compresión de las cabeceras TCP y RTP •Disciplina de encolamiento LLQ para VoIP •Priorización del Tráfico de VoIP sobre otros
Los Router s del ISP realizan: •Re-priorización de paquetes
Jitter o Variación del Retardo La variación en los tiempos de retardo de los diferentes paquetes que conforman un mismo flujo de datos se denomina jitter. Causas: •Paquetes de un mismo flujo son procesados, encolados, desencolados, etc. , de manera independiente y diferente. •En consecuencia cada paquete puede llegar al destino fuera de secuencia y con un retardo diferente cada uno. •Para aplicaciones de tiempo-real es esencial que en el destino los paquetes lleguen en el orden correcto y con la misma velocidad que fueron generados •La solución para el jitter es la utilización de un buffer denominado de jitter, siempre y cuando la variación de los retardos no sea muy grande. •En el destino, el de-jitter recibe los paquetes los re-ordena y los entrega a la aplicación de tiempo real con la frecuencia con que fueron emitidos.
Ejemplo de Jitter Envío de la fuente Secuencia de paquetes
Llegada en destino
Salida al dispositivo desde el de-jitter
Desplazamiento del tiempo de origen
Punto de reproducción
PERDIDA DE PAQUETES (PACKET LOSS)
Pérdida de Paquetes
•La pérdida de paquetes sucede cuando un dispositivo de red no tiene más espacio en sus buffers para retener paquetes entrantes (congestión en el link). •A veces el reinicio (reset) de una interfaz ocasiona también pérdida de paquetes. •TCP usa el mecanismo de Ventana Deslizante para enfrentar el problema de pérdida de paquetes. •Aplicaciones basadas en UDP reenvían todo el archivo ante una pérdida de paquetes. Esto tiende a congestionar más la red.
Impacto de la Pérdida de Paquetes
•Vídeo Conferencia: La imagen se distorsiona, audio desfasado, etc. •VoIP: La comunicación es entrecortada (pequeños períodos de silencio) •Transferencia de Archivos: Archivos dañados
Formas de evitar la Pérdida de Paquetes
•Incrementar el BW: BW más grandes permiten una salida más rápida de paquetes desde los queues. •Incrementar espacio en buffers: revisar si la configuración del tamaño del buffer de una interfaz está correcta. En caso de congestión se puede incrementar este valor. •Proveer garantías de BW: mecanismos como CBWFQ y LLQ permiten reservar BW para ciertas clases de tráfico. Flujos pertenecientes a esas clases de tráfico no será víctimas de pérdida de paquetes. •Usar Congestion Avoidance (Prevención de congestión): mecanismos como WRED o RED, desechan paquetes para evitar o prevenir que las colas entren en saturación.
Ejemplo para evitar la Pérdida de Paquetes
•Problema: La congestión de la interfaz ocasiona desecho de paquetes TCP y VoIP, provocando un flujo FTP lento y una comunicación de voz entrecortada. •Conclusión: Mecanismos de Encolamiento y de Prevención de Congestión pueden ayudar . •Solución: Usar técnicas como WRED (tráfico TCP) , LLQ y cRTP (tráfico UDP).
DEFINICIÓN DE QoS
Definición de QoS Según CISCO QoS es la habilidad que tiene una red para proveer un servicio mejor o “especial” a un grupo de usuarios o aplicaciones, o a ambos, restringiendo a otros usuarios o aplicaciones, o a ambos. Otra definición: La Calidad de Servicio (QoS) es la capacidad de una red de proveer una garantía y control en la asignación de recursos y una diferenciación de servicios conforme a las aplicaciones que los soliciten. Las primeras versiones de herramientas de QoS protegían a los datos contra los datos: - La cola de prioridad RTP protegía a la voz contra el tráfico de datos. Total prioridad para el tráfico de Voz - LLQ fue diseñado para proteger los datos contra la voz (limitando el ancho de banda para los flujos de voz)
Definición de QoS cont. - CAC (call admission control) fue diseñado para proteger a la voz de la voz (cuando existen muchas llamadas simultáneas). CAC previene que el número de llamadas simultáneas exceda un cierto límite y afecte la calidad de las llamadas activas. Conclusión:
Las redes actuales deben soportar una variedad de aplicaciones cada una con diversos requerimientos de anchos de banda, retardo, jitter, pérdida de paquetes, etc. Los ingenieros de red, usando dispositivos apropiados, e implementando mecanismos de QoS pueden controlar el comportamiento de la red para que esta provea un servicio predecible (nivel de servicio) a esas aplicaciones.
IMPLEMENTACIÓN DE QoS
Implementación de QoS Paso 1 Identificar el tráfico y sus requerimientos Paso 2 Clasificar el tráfico basado en los requerimientos definidos Paso 3 Definir Políticas de QoS a cada clase
Identificar el tráfico y sus requerimientos Subpasos: • Realizar una auditoría a la red: Definir horas pico (mediante medición de utilización de CPU y del canal). Analizar también en “horas lentas”. • Realizar una auditoría del negocio: El modelo de negocios y sus objetivos determinan los requerimientos del negocio y la importancia de las distintas aplicaciones. • Definir Niveles de servicios (SL) apropiados: para cada tipo o clase de tráfico (niveles de BW, delay, jitter, packet loss). Los SLs deben satisfacer los objetivos del negocio.
Requerimientos de distintos Tráficos
Clasificación del Tráfico Debe estar basada en las auditorías realizadas y los requerimientos identificados en el paso anterior. Se recomienda crear el menor número de clases posibles (varias aplicaciones pertenecen a una clase) Típica categorización del tráfic o:
•Clase VoIP: requerimientos de BW, pérdida de paquete < 1%, retardo end-to-end < 150ms. Por sus requerimientos es la clase con mayor prioridad. •Clase Mission Critical: todas las aplicaciones críticas del negocio. Se deben identificar los requerimientos de BW (Paso 1) •Clase Tráfico de señalización: p.e, tráfico del protocolo SIP para establecimiento de llamadas de VoIP (requerimientos de BW) •Clase de Aplicaciones Transaccionales: consultas a base de datos y servicios similares (requerimientos de BW) •Clase Best-Effort: todo el tráfico no definido en las clases anteriores caen en esta categoría (se le asigna el BW sobrante) •Clase Scavenger (Basura): se considera inferior a la clase Best-Effort, pe: aplicaciones Peer-to-peer.
Definición de Políticas El paso final de la implementación de QoS es la de definir el Nivel de Servicio (SL) para cada clase de tráfico definida. Incluye realizar las siguientes tareas: • Establecer un límite máximo de ancho de banda para una clase • Establecer un límite mínimo de ancho de banda garantizado para una clase • Asignar un nivel de prioridad a cada clase • Aplicar mecanismos de Control de Congestión (Queuing), Congestion Avoidance, y otras tecnologías avanzadas de QoS a una clase.
Resumen •Las redes convergentes que soportan voz, datos y vídeo crean nuevos requerimientos para el manejo de tráfico en la red •Las redes convergentes deben enfrentar retos para proveer QoS los cuales incluyen falta de un adecuado BW, retardo endto-end, jitter, y pérdida de paquetes •Pérdida de paquetes puede afectar adversamente el desempeño de la red. • Los mecanismos de QoS son una alternativa para mejorar el desempeño de las redes convergentes
