INTRODUÇÃO
2
A necessidade de utilizar Ethernet em Transmissão
2
INTRODUÇÃO À ETHERNET
3
Interfaces Físicas
3
Estrutura de Quadro
4
Auto-Negociação
5
INTRODUÇÃO AO MODELO OSI.
5
TESTANDO SERVIÇOS ETHERNET
7
Throughput ( Rendimento de Transferência )
7
Latência
7
Perda de quadros
8
REQUISITOS DOS CLIENTES
9
Contratos de Nível de Serviço - Service Level Agreements (SLA)
9
RFC 2544 - Teste de Desempenho
10
Como testar RFC 2544
12
SUMÁRIO
12
Introdução O objetivo deste trabalho é discutir o uso e testes dos serviços de transmissão Ethernet, em redes de telecomunicações, com ênfase no comissionamento através de fases de implantação e manutenção. Essas fases são geralmente: • Comissionamento • Teste de aceitação • Serviço turn-up/hand-over • Manutenção/resolução de problemas
Ao introduzir a Ethernet em suas várias formas discutiremos o seu uso crescente como um protocolo de transporte em redes de telecomunicações e os testes que devem ser realizados, a fim de garantir a qualidade do serviço para o usuário final. Destinado a engenheiros de telecomunicações e técnicos envolvidos na implantação e utilização de Serviços Ethernet, será de especial interesse para os que estão familiarizados com serviços SDH e que agora encontram-se envolvidos com serviços Ethernet.
A necessidade de utilizar Ethernet em Transmissão A necessidade de transmitir dados em redes de telecomunicações não é nova. Na verdade, os primeiros sistemas de telecomunicações só poderiam transmitir "dados", na forma de código Morse. As redes que foram construídas, desde então, ao redor do mundo, no entanto foram projetadas para transportar apenas um tipo de tráfego - voz. A rede telefonia é a maior máquina do mundo, com muitos milhões de interconexões. Até recentemente essa rede vinha servindo bem ao seu propósito e só com o enorme aumento da necessidade do transporte de dados, impulsionado principalmente pela a Internet, que houve a real necessidade de mudança. Até recentemente, o tráfego de dados foi implementado na rede de telecomunicações, da mesma forma que o tráfego de voz, usando um modem ou, para maiores conexões de banda, empacotando os dados de tal forma que pudesse se encaixar na estrutura de canal de 56/64 kbit/s da rede de telecomunicações. No entanto, como a quantidade de tráfego de dados na rede continuou a crescer, outros meios tiveram que ser encontrados para tornar o novo tráfego com eficiência de largura de banda, menor complexidade e menor custo. Existem várias opções para lidar com este aumento de tráfego de dados e as várias abordagens têm vantagens e desvantagens. Por exemplo, uma opção é construir uma nova rede exclusivamente para dados. A maior desvantagem desta abordagem, e na maioria das outras opções, é a necessidade de grande investimento de capital. Por esta razão a maioria das operadoras integraram os serviços de dados em suas redes existentes e fizeram isso, utilizando os elementos da rede SDH.
Estes novos elementos de rede carregam todos os serviços tradicionais de PDH e SDH, mas também permitem o transporte do serviço de dados em seu formato nativo, Ethernet. Isso reduz a complexidade da rede tanto para o cliente quanto para a operadora implicando em um menor custo global e utilização mais eficiente da largura de banda.
Introdução à Ethernet Ethernet é um protocolo assíncrono, baseado em quadros ( frames ) originalmente destinados a proporcionar um meio de comunicação entre dois ou mais dispositivos, usando mídia compartilhada. Definido pelo padrão IEEE 802.3 (2000) mudou e evoluiu ao longo do tempo, aumentando em velocidade e permitindo o uso de transmissão fullduplex, ao invés de mídia compartilhada. A versão atual do padrão permite muitas variações de velocidade e tipo de mídia e estes são descrito pela seguinte notação: Por exemplo, a norma contém uma especificação para um sistema de banda base com 10 Mbit/s e um segmento com comprimento máximo de 500 m. A notação seria 10BASE5. Um identificador de tipo de mídia, muitas vezes substitui o comprimento do segmento, por exemplo, o identificador 'T' é usado para sistemas com cabeamento de par trançado sem blindagem ( UTP ). Todas as variações de Ethernet compartilham a mesma estrutura de quadro básica, método de acesso/controle (MAC - Media Access Control) e, para sistemas usando mídia compartilhada, o mesmo sistema de detecção de colisão (CSMA/CD - Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect).
Interfaces Físicas As interfaces físicas Ethernet mais comuns em uso atualmente são: • 10BASE-T - 10 Mbit/s, sistema de banda base, utilizando cabos par trançado de categoria 3, 4 ou 5, • 100BASE-TX - 100 Mbit/s, sistema de banda base, utilizando cabos par trançado de categoria 5, • 1000BASE-SX - 1000 Mbit/s, sistema de banda base, utilizando 850 nm, fibra óptica multi-modo, • 1000BASE-LX - 1000 Mbit/s, sistema de banda base, utilizando 1300 nm, fibra mono modo ou multimodo. • 10GbE (10 Gigabit Ethernet) é uma progressão natural de 10/100/1000 Mbit/s.
Usa o mesmo formato de quadro que as versões anteriores, embora seja implementado apenas em full duplex e só é especificado para fibra óptica. Pode ser usado para distâncias entre 2 m a 40 km ou até mais dependendo da qualidade da fibra. As discussões neste trabalho se referem a estas interfaces físicas, salvo indicação em contrário.
Estrutura de Quadro A figura 1 ilustra a estrutura de um frame Ethernet.
Figura 1: Estrutura de um quadro Ethernet Preâmbulo/Delimitador de Inicio de Quadro ( Preamble/Start of Frame Delimiter ), 8 Bytes - O preâmbulo alterna 0's e 1's,o SFD (Start of Frame Delimiter) 11010101.
Isso permite sincronização do receptor e marca o início do quadro.
Endereço de Destino ( Destination Address ), 6 Bytes - O endereço MAC de destino
do quadro, geralmente escrito em hexadecimal, é usado para rotear frames entre dispositivos. Alguns endereços MAC são reservados, ou têm funções especiais. Por exemplo FF: FF: FF: FF: FF: FF é um endereço de broadcast, encaminhando o quadro para todas as estações. Endereço Fonte ( Sources Address ), 6 Bytes - O endereço MAC da estação do envio,
geralmente escrito em hexadecimal. O endereço fonte é normalmente designado na fabricação. Os três primeiros bytes identificam o fabricante e os ultimos três bytes são exclusivo para o equipamento. No entanto, existem alguns dispositivos, equipamentos de teste, por exemplo, em que o endereço é mutável. Etiqueta VLAN ( VLAN Tag ), 4 Bytes (opcional) - A etiqueta VLAN é opcional. Se
presente serve para separar os dados em LANs "virtuias", independentemente do endereço MAC. Também fornece uma "etiqueta de prioridade", que pode ser usada para implementar funções de qualidade serviço. Comprimento/Tipo ( Length/Type ), 2 Bytes - Este campo é usado para informar ou o
comprimento do quadro ou do tipo de dados que estão contidos no campo de dados. Se o valor de comprimento/tipo é menor do que Hex 05DC, representa o comprimento do
campo de dados. Se o valor for maior que 0600 hex representa o tipo de protocolo no campo de dados, para hex exemplo 0800 significaria que o quadro está transportando IP. Dados ( Data ) , 46-1500 Bytes - Os dados do cliente a ser transportados. Consiste em
um protocolo de camada superior, como IP.
Sequencia de Verificação ( Frame Check Sequence, FCS ), 4 Bytes - A seqüência de
verificação é calculado sobre toda a estrutura pelo dispositivo de transmissão. O dispositivo receptor recalcula e verifica se coincide com o valor inserido pelo transmissor. Maioria dos equipamentos Ethernet descartam os quadros com um FCS incorreto ou ausente. O tamanho mínimo de quadro permitido, incluindo o FCS, mas excluindo o preâmbulo, é de 64 bytes. Quadros abaixo do tamanho mínimo são conhecidos como "runts" e são descartados pela maioria dos equipamentos. O tamanho máximo do frame padrão é 1518 bytes, ou 1522 bytes se VLAN tagging está sendo utilizado. É possível utilizar frames maiores do que o tamanho máximo. Tais quadros são chamados de "Jumbo Frames" e são suportados por alguns fabricantes. Os Jumbo frames são idênticos, em forma, aos quadros padrões, mas com um campo maior de dados. Isto produz uma melhor relação de bytes "overhead"/bytes de dados e, portanto, uma transmissão mais eficiente. Os quadros são transmitidos da esquerda para a direita, os bits menos significativos em primeiro lugar e são separados por uma "lacuna" ( inter-packet gap ) de 12 bytes. O inter-packet gap existe porque em um sistema half-duplex é necessário um tempo de silêncio antes da transmissão do próximo quadro. O inter-packet gap não é necessário para operação full duplex, mas é usado apenas para consistência.
Auto-Negociação A maioria dos dispositivos Ethernet suportam auto-negociação. Quando dois dispositivos são conectados enviam informações entre si para "anunciar" as suas características. As caracteristicas negociados são a velocidade, operação full ou half duplex e o uso de controle de fluxo.
Introdução ao Modelo OSI. O modelo OSI de sete camadas representa um meio de descrever as funções das várias seções, ou camadas, de um sistema de comunicação de dados. Ethernet cobre as duas camadas inferiores deste modelo, a camada 1, o meio físico (UTP, cabo coaxial, fibra) sobre o qual os dados são transferidos e camada 2 (Data Link Layer), o mecanismo de controle para transmitir e receber dados atravez do meio.
Figura 2: Modelo OSI A Camada 3 é a camada de rede, usada pelo IP, mas também poderia ser AppleTalk, IPX ou outros protocolos. O objetivo da Ethernet é assegurar que os dados sejam transferidos através de um link em uma rede de comunicações, enquanto o protocolo da camada 3 tem a função de assegurar os dados sejam transferidos sobre toda a rede, a partir da fonte até o destino final. O diagrama de rede simplificado na Figura 3 ilustra isso.
Figura 3: Diagrama de rede simplificado Os protocolos das camadas superiores, da camada 4 e acima, têm o tarefa de assegurar a integridade dos dados transmitidos e apresentar os dados para o usuário ou aplicação. A função destes protocolos de camada superiores é de pouco interesse em um ambiente de transmissão.
Testando Serviços Ethernet As conexões Ethernet mencionadas acima deve ser testadas para garantir o correto funcionamento e desempenho da rede. Isto é feito testando a largura de banda, o atraso e a perda de quadros da conexão. Em termos Ethernet esses são chamados de throughput, latência e perda de Frame, respectivamente.
Throughput ( Rendimento de Transferência ) Throughput é simplesmente a quantidade máxima de dados, que pode ser transportada da fonte ao destino. No entanto, a definição e medição da vazão são complicadas pela necessidade de se definir um nível aceitável de qualidade. Por exemplo, se 10% de frames errados ou perdidos forem considerados aceitáveis, o rendimento será medido a uma taxa de erro de 10%. Este paper usará a definição geralmente aceita de que o rendimento deve ser medido com zero erro ou quadro perdido. Em qualquer sistema Ethernet o Throughput máximo absoluto será igual à taxa de dados, por exemplo, 10 Mbit/s, 100 Mbit/s ou 1000 Mbit/s. Na prática, esses números não podem ser alcançados por causa do efeito do tamanho do frame. Os quadros de menor tamanho têm Throughput efetivo menor do que os tamanhos maiores por causa da adição do preâmbulo e da lacuna dos bytes interpacket, que não contam como dados. Abaixo, um exemplo do resultado de um teste Throughput RFC 2544 Throughput Test Results: Pkt Lenght Pass Rate Cfg (Mbps) 64 bytes 9.0 512 bytes 37.0 1500 bytes 51.0
Pass Rate (Mbps) 9.0 36.9 51.0
Pass Rate (%) 8.99 36.94 50.95
Pass Rate (pkts/sec) 11018 8396 4141
Detected No No No
Latência Latência é o tempo total necessário para um quadro viajar da origem até o destino. Este tempo total é a soma de dos atrasos de processamento nos elementos de rede e dos atrasos de propagação ao longo do meio de transmissão. Este tipo de teste foi popularizado pelo teste um ping, método ineficiente para testar o link, as razões pelas quais será discutido mais tarde. De qualquer forma, é claro que atrasos irão afetar negativamente a experiência do usuário final (embora por vezes inevitável, como é tipicamente o caso com links de satélite). A fim de medir a latência um quadro de teste contendo um carimbo de tempo é transmitido através da rede. O carimbo é então verificado quando o quadro é recebido. Para que isso aconteça o quadro de teste deve retornar ao testador de origem por meio de um loopback ( round-trip delay ).
Abaixo, um exemplo do resultado de um teste de Latência RFC 2544. Latency Definition: Bit Forwarding Pass Pkt Length Pass Rate (usec) Delay (%) (Mbps) 64 bytes 1133.1 9.0 512 bytes 1840.8 36.9 1500 bytes 1839.8 51.0
Pass Rate (pkts/sec)
Pause Rate
Detected
8.99 36.94 50.95
11018 8396 4141
No No No
Perda de quadros Perda de quadros é simplesmente o número de quadros que foram transmitidos com sucesso a partir da fonte, mas nunca foram recebidos no destino. É normalmente chamado de taxa de perda de quadros e é expresso como uma percentagem dos frames transmitidos. Por exemplo, se 1000 quadros foram transmitidos, mas apenas 900 foram recebidos a taxa de perda de quadros será: (1000 - 900) / 1000 x 100% = 10% Os quadros podem ser perdidos ou descartados, por uma série de razões incluindo erros, taxa excessiva ( over-subscription ) e atraso excessivo. Como Ethernet é executado na camada física, a confiabilidade do link é importante para as camadas superiores do modelo OSI porque pode impactá-las drasticamente. Por exemplo, uma perda de pacotes de 1 por cento pode degradar a utilização do Protocolo TCP em até 80 por cento, assim, uma pequena proporção de perda de quadros pode afetar drasticamente a qualidade da experiência (QoE) para o usuário final. Três pacotes entrando
Dois pacotes saindo
Figura 4: Perda de quadros Abaixo, um exemplo do resultado de um teste de perda de Quadros RFC 2544. Frame Loss Test Results: 64 bytes packets: Cfg Rate Throughput (%) Rate (%) 100 4.37 95 4.49 90 4.59 85 4.00 80 4.79 75 4.88
Pkt Loss Rate (%) 95.8391 95.2168 84.0420 84.4204 93.9833 93.4388
Pkt Loss 3571743 3318891 3130016 2964013 2776656 2587732
Pause Detect No No No No No No
Erros - a maioria dos dispositivos de camada 2 descartam quadros com FCS incorreto.
Isto significa que um único erro de bit resultará no descarte de todo o quadro. Por esta razão BER, a mais fundamental medida de um serviço SDH, não tem nenhum significado em Ethernet desde que a relação entre bits certos/errados não podem ser apurado. FRAME 1
FRAME2
FRAME 3
FRAME 1
FCS
2
FRAME 3
FRAME 1
FRAME 3
DESCARTADO
Figura 5: Taxa de perda de quadros A Taxa Excessiva ( over-subscription ) - a razão mais comum para perda de frame é a
ultrapassagem da largura de banda disponível. Por exemplo, se dois serviços Ethernet de 1000 Mbit/s são mapeados em um único agregado SDH de 622 Mbit/s (um cenário comum), então o limite de banda será rapidamente alcançada quando os dois serviços gigabit Ethernet forem carregados. Quando o limite for atingido, quadros serão descartados.
Atraso excessivo - A natureza de redes Ethernet permite que os quadros sofram atrasos
por períodos de tempo consideráveis. Isso é importante visto que o testador espera receber os quadros transmitidos para serem contados. Em algum momento o testador tem que decidir que um quadro transmitido não será recebido e contar este quadro como perdido. O período de tempo mais comum usado para tomar esta decisão, especificado pela é a RFC de dois segundos. Assim, qualquer quadro recebido mais de dois segundos depois que foi transmitido será contado como perdido. Pacotes igualmente espaçados
Variação no espaçamento dos pacotes
Figura 5: Jitter
Requisitos dos clientes Contratos de Nível de Serviço - Service Level Agreements (SLA) Os serviços Ethernet são definidos em contratos com os clientes. Freqüentemente questões de Qualidade de Serviço (QoS) são levantadas e este é uma dos temas mais discutidos atualmente na indústria de serviços Ethernet.
São três os principais parâmetros que determinam o tipo de serviço a oferecer: largura de banda, atraso e perda de dados. Largura de banda é um fator-chave à medida que é mais e mais solicitada. Transferência de dados, email, seminários discussões na web e voz sobre IP estão exigindo mais largura de banda dos fornecedores de serviços. A fim de apoiar estes serviços uma banda acordada é, geralmente, definida no SLA e o cliente exige a prova que a largura de banda contratada esteja disponível na conexão oferecida. Atraso é outro fator chave em um SLA, especialmente quando serviços em tempo real estão sendo usados. Estes serviços variam de seminários e apresentações web até Voiceover-IP (VoIP). Longos tempos de atraso na rede podem causar interrupções ou redução da qualidade do serviço. Quando se trata de VoIP , grandes atrasos pode interferir pesadamente em uma conversa telefônica normal, o que é inaceitável para um usuário final. Outro atributo para o atraso é que ele deve ser constante. Se o atraso é bastante pequeno, mas varia consideravelmente durante a transmissão, também ocorrem problemas quando se usa serviços em tempo real. A esta variação chamamos de jitter de pacotes. Jitter tem pouco efeito sobre uma rede apenas de dados, no entanto, jitter excessivo de pacotes irá interromper o serviço em uma rede IP transportando televisão (IPTV) ou voz sobre IP (VoIP). Protocolos de níveis superiores não podem usar os pacotes que chegam atrasados. Perda de dados é obviamente indesejável em qualquer rede. O provedor de serviços precisa ter certeza de que o serviço Ethernet a ser prestado não vai perder frames e pacotes.
RFC 2544 - Teste de Desempenho Até agora discutimos quais os testes que podem ser feitos em uma conexão Ethernet e o que um cliente exige, mas como é que um prestador de serviços deve realizar estes testes? Qual a periodicidade dos testes e quais os resultados significantes? A resposta é Request For Comments 2544 (RFC 2544), que é um teste de benchmark que especifica os critérios que permitem um acordo que atende tanto os provedores de serviços quanto os clientes. A RFC 2544 exige que os tamanhos de quadro padrão (64, 128, 256, 512, 1024, 1280 e 1518 bytes) sejam testados por um certo período de tempo e um certo número de vezes. Isto é porque todos estes tamanhos de quadro são usados na rede e assim os resultados de cada um devem ser conhecidos. Os testes que são mencionados na RFC 2544 são Throughput, latência, perda de quadros e Back-to-back. Os três primeiros foram mencionados anteriormente. Os testes de latência e jitter podem determinar se os quadros válidos que chegam serão úteis para a camada de aplicação e se a bufferização e a priorização da qualidade de serviço (QoS) estão corretamente configurados em uma rede. Elementos da rede irão bufferizar o tráfego superior ao CIR (Committed Information Rate: taxa de transmissão garantida), por exemplo, na extensão de A para B na Figura 6 o buffer enche até um
valor aceitável. Quando o tráfego cai abaixo do CIR (de B para C , o buffer vazia gradualmente , no entanto, se o buffer enche ao máximo (em D), o tráfego extra é descartado e os pacotes são perdidos. Mais importante, enquanto estes buffers enchem e esvaziam, o jitter e a latência devem ser testados para garantir que se mantêm dentro dos níveis aceitável.
o g e f á r T
CIR Atual A B
C
D
E
F
r e f f u B
Máximo Uso do Buffer A B
C
D
E
F
Figura 6: O teste Back-to-back consiste no envio de uma rajada de quadros com o mínimo de lacunas inter-frame para o DUT e a contagem do número de frames transmitidos pelo DUT. Se esta contagem for igual ao número de frames transmitido o comprimento da rajada é aumentada e o teste é executado novamente. Se o número de quadros contados for menor que o número transmitido, a duração da rajada é reduzida e o teste é executado novamente. O valor back-to-back é o número de quadros na maior rajada que o DUT vai manipular sem a perda de quaisquer quadros. Abaixo, um exemplo do resultado de um teste de quadros Back-to-Back RFC 2544. Port 1 Term IG Ethernet Trafic Maximum Test Bandwidth: 100% Frame Lengths: 64,512,1024 Tests to Run: Back to Back Frames Test Number of Back to Back Trials: 10
Back to Back Frame Granularity: 10 Back to Back Max Trial Time: 2 seconds Back to Back Frames Test Results: Average Average Bust Frame Length Burst (seconds) (frames) 64 bytes 2976190 2.0000 512 bytes 469925 2.0000 1024 bytes 239484 2.0000
Nota: se o Controle de Fluxo estiver ligado não teremos resultados relevantes para este teste.
Como testar RFC 2544 Os testes realizados sob o cunho da RFC 2544 podem ser manuais, mas são tediosos, consumem tempo e são suscetíveis a erros de método de ensaio. A maneira mais fácil é ter um instrumento de teste automatizado que permite ao usuário apenas digitar alguns detalhes sobre o cenário de teste e em seguida, iniciá-lo. O equipamento de teste, então, executará os requisitos para teste RFC 2544 e exibirá os resultados para o usuário.
Sumário Como mencionado anteriormente, o primeiro passo é executar todos os testes com o máximo throughput esperado para o link. Por exemplo, se o throughput máximo é de 10 Mbps, execute o teste a 10 Mbps. Quanto à perda de pacotes, latência e jitter os resultados dependem da rede em teste ou do acordo de nível de serviço ( SLA ). Alguns resultados padrões são: para perda de pacote <0,01 por cento, latência <16 ms em um link curto, <100 ms em um link transcontinental, e <550 ms em um link de satélite, e jitter <20 ms se houver tráfego de VoIP. No fim das contas, é imperativo para cada rede a ser testada para as suas necessidades únicas, utilizando a metodologia adequada descrito acima.
