Arquitectura routers para soporte de qo s

Arquitectura de Routers para el soporte de Calidad de Servicio

Jhon Jairo Padilla Aguilar, [email protected]

[email protected] 211 April 2006

NGNs as a global issue Technical aspects

ITU-T SG 13: Rec. Y.2001A NGN is a packet-based network able to provide telecommunication services and able to make use of multiple broadband, QoS-enabled transport technologies and in which service-related functions are independent from underlying transport-related technologies. It enables unfettered access for users to networks and to competing service providers and/or services of their choice. It supports generalized mobility which will allow consistent and ubiquitous provision of services to users.

Challenges – Multimedia– Generalized mobility – Convergence – Integrity– Multi-layer orientation– Open character

FG NGN

SG: 11, 13, 19, 2, 12, 16, 17

AsiaAmerica

Europe

ITUNGN

Africa

3

UMTS

Before NGN“Stovepipe” service model

Dedicated technologies – duplicated functions

Services Services Services

PL

MN

PS

TN

/ I

SD

N

Dat

a /

IP

CA

TV

IP Core

AccessAccess

Access

GSM/EDGE

WiFi/WiMax

xDSLPSTN / ISDN

Broadcast

Content and Services

Servers ...

NGN promises“simplified” service model

NGN simplifies the network

Services

http://www.nextag.com/Panasonic_42IN_Plasma_tv~55377376z5znz500014zz1z500014zzmainz2-htm




Jhon Jairo Padilla A. Calidad del servicio en Internet

Tipos de Servicios

Tráfico de diferentes servicios

VoIP

Video llamadaBroadcasting video

Web (http)

Tipos de serviciosTipo de Servicio

Tráfico Tiempo Real

Tráfico Tiempo Real

Tráfico Elástico

Tráfico Elástico

Periodicidad

Si no

Tasa bit Constante Variable

Modo Orientado a Conexión Sin conexión

Ejemplo VoIP IPTV Correo electrónico multimedi

a

Transferencia archivos

en segundo plano


Aplicaciones de Tiempo Real

• Tienen requerimientos de retardo muy exigentes

• Si el retardo supera cierto límite, los datos del paquete ya no serán útiles

• Ejemplo: Aplicación “Audio-streaming”


Ejemplo: Audio-streaming

• La voz es enviada en paquetes por la fuente hacia la red• Cada paquete experimenta un retardo diferente en la red

(tiempo entre paquetes varía)• Delay jitter: variación en el retardo de los paquetes (max.

Retardo – min. Retardo)• La variación del retardo produce distorsión en la voz• Solución común: uso de un buffer suavizador (playback

point (offset de tiempo), playback applications)

Distribución del retardo y variación del retardo

paquetes perdidos oEntregados tarde

Tiempo de transferencia

Densidad deProbabilidad

Variac.retardo

Max. retardo

Min.

Retardo promedio

Curvas de retardo para diferentes servicios

Densidad de Probabilidad

Tiempo de retardo

Densidad de Probabilidad

Tiempo de retardo

Servicios de t real Servicios interactivos


Uso del buffer suavizador

Salida en la fuente

Llegada en el receptor

Salida hacia el dispositivo

Offset fijo de tDesde salida original


Limitantes de la solución con buffer suavizador

• Los paquetes que demoran menos que el retardo máximo se almacenan y sacan en el momento adecuado (offset)

• Los paquetes que superan el tiempo de offset ya no pueden ser usados para reconstruir la señal

• Debe escogerse apropiadamente el tiempo de offset:– La red debe dar a conocer el máximo retardo de un paquete a la

aplicación (acuerdo de servicio)– La aplicación debe estimarlo con base en estadísticas de paquetes

anteriores

Congestión en Routers


Control de Congestión en TCP• Una comunicación puede volverse lenta por dos razones:

– Por sobrecarga en la memoria del receptor– Por congestión en la red

• Un Receptor mantiene dos ventanas:– Ventana del receptor– Ventana del transmisor

• El transmisor envía el número de octetos menor entre los indicados por las dos ventanas:– Si el Rx indica “Enviar 8K”, pero la ventana de

congestión dice que no se puede más de 4K, el tx enviará sólo 4K (Y viceversa).


Algoritmo de control de congestión• Conocido como “Slow Start” (Jacobson 1988)• Procedimiento:

1. Al establecer una conexión, el Tx inicia la ventana de congestión al segmento máximo permitido.

2. El Tx envía un segmento máximo3. Si no hay vencimiento de temporizador de confirmación, la proxima vez se

duplica el valor de la ventana de congestión (crecimiento exponencial)4. Si hay vencimiento del temporizador o se alcanza el tamaño de la ventana

del receptor o un valor “threshold”, la ventana se incrementará pero en pasos de 1 segmento (crecimiento lineal).

5. Al ocurrir un vencimiento del temporizador, el valor de threshold se coloca el la mitad de la ventana de congestión y la ventana de congestión se reinicia en 1 segmento. Se vuelve al paso 3.


Ventana de CongestiónVentana de congestión (KB)

NúmeroDe txsiones

threshold

threshold


MBone

• MBone fue una red experimental multicast puesta a punto en 1993

• Se realizaron experimentos de transmisión de video (reuniones IETF, lanzamientos de naves espaciales, operaciones en pacientes)


Lecciones de MBone

• Las aplicaciones de tiempo real no trabajan bien sobre Internet (retardo variable y pérdidas por congestión)

• Muchas aplicaciones de tiempo real trabajan sobre UDP y no reaccionan ante la congestión como TCP

• Las pérdidas de paquetes grandes durante la congestión no permiten el uso de estas aplicaciones

• Ciertas aplicaciones de t real han incorporado lazos de realimentación cerrados y pueden adaptarse a condiciones cambiantes, pero trabajan en rangos limitados de cambios


Lecciones de MBone

• El mal uso del multicast puede causar grandes interrupciones a una gran porción de Internet

• Aplicaciones como video digital son capaces de generar una alta tasa de tráfico. En los 90’s subió hasta saturar algunos backbones.

• La debilidad en el control explícito de tráfico dentro de la red puede causar que las aplicaciones basadas en UDP se apoderen del ancho de banda de las aplicaciones basadas en TCP cuando compiten por dicho recurso (TCP reduce su envío de paquetes durante congestión y UDP no tiene esta característica.

Conclusión:

• La red debe diferenciar servicios y soportar los requerimientos de cada uno para garantizar un buen servicio a los usuarios.

Soluciones para el soporte de Calidad de Servicio

Jhon J. Padilla A.-QoS en Internet

Arquitectura de servicios Integrados (IntServ)

• Hay una sola clase por usuario• Se crea un circuito virtual por usuario y por flujo• Se usa RSVP como protocolo de señalización para

establecer el circuito virtual• Uso de control de admisión (CAC)• Ventajas: Sencillez en implementación• Desventajas: #Estados = # flujos (no es escalable)


Establecimiento de la Reserva en IntServ


Arquitectura de un Router de Servicios Integrados

Clasificación Estática y dinámica

• Clasificación: Se refiere al proceso de mapear un paquete a uno de un conjunto finito de flujos o categorías

• Clasificación Interna del router:– Un router puede clasificar los paquetes entrantes en 4 categorías:

• Paquetes TCP• Paquetes UDP• Mensajes ICMP• Otros

– Este conjunto de flujos es estático (no cambia): Asignación de flujos estática.

– Asignación dinámica de flujos:• Se usan uno o varios campos de la cabecera IP para hacer la clasificación (Dir

IP origen, Dir IP Destino, Puerto Origen, Puerto Destino, identificación protocolo)


Planificación de paquetes

Modelo de fluidos

Modelo Paquetizado


Arquitectura de servicios Diferenciados

• Se crea un conjunto reducido de clases• Hay grupos de usuarios• Pocas clases (AF, EF, BF) manejadas por prioridades• Ventaja: Escalable• Requiere:

– Control de admisión (CAC)– Control de Policía (UPC, uso de parámetros)– Manejo de troncales con QoS mediante MPLS

Campo DSCP de DiffServ

• El estándar de Servicios Diferenciados redefine el campo existente IP TOS para indicar los Comportamientos de Re-Transmisión.

• El nuevo campo, denominado DS (Differentiated Services), vuelve obsoletas las definiciones existentes del octeto TOS y también el octeto Clase de Tráfico de IPv6.

• Los primeros 6 bits del campo DS son usados como un DSCP (Differentiated Services Code Point), es decir, un valor que se utiliza para codificar el PHB con que debe tratarse un paquete en cada nodo DiffServ.

• Los restantes dos bits (campo CU) no están siendo utilizados actualmente.


Arquitectura de Servicios Diferenciados

Clasificador,Medidor,Marcador,Recortador

Clasificador,Planificador


Componentes de un Nodo Frontera

Desecha los paquetes no cumplientes con el perfil de tráficoDesechador (Dropper)

Un recortador no permite que el paquete pase hacia la red hasta que cumpla con el perfil de tráfico (retarda los paquetes)

Recortador (Shaper)

Fija el campo DSCP (codepoint) a un valor particular. Así se incluye el paquete en una clase de retransmisión.Los paquetes marcados como no conformes podrían ser desechados por la red ante congestión.

Marcador (Marker)

Compara el flujo de tráfico de un cliente con su perfil de tráfico.Los paquetes que cumplen el perfil se dejan ingresar directo a la red.Los paquetes que no cumplen deben pasar por el acondicionamiento (marking, shaping, dropping)

Medidor (Meter)

Divide el flujo de paquetes entrante en múltiples grupos basándose en reglas predefinidas

Clasificador

FunciónElemento


Componentes de un nodo frontera

Classifier Marker Meter

Remarker

Shaper

Dropper

Classificación Acondicionamiento

Funciones de un router para el soporte de QoS

CLASIFICACIÓN DE PAQUETES

Flujos en una red


QoSa

QoSb

Flujo: (elástico o de tiempo real)

Serie de paquetes intercambiados por dos aplicaciones durante una conexión

Flujo:Paquetes que tienen características similares fluirán sobre el mismo camino lógico (internamente en el router y externamente en la red).

Clasificación de paquetes

Ventajas de la Clasificación

• Tiene la capacidad de eludir el procesamiento por capas

• Introduce la compresión de capas, examinando campos de múltiples capas en un solo paso


Tipos de Clasificadores

• Función: Divide el flujo de paquetes entrante en múltiples grupos basándose en reglas predefinidas.

• Hay dos tipos:– BA (Behavior Aggregate)– MF (Multifield)


Clasificador BA

• Es el más simple• Se utiliza en Servicios Diferenciados• Selecciona los paquetes basándose únicamente en el

codepoint (DSCP).• Para que esto funcione se requiere que los paquetes sean

marcados (puesto el codepoint en un valor) antes de ingresar al clasificador.

• Dónde se marcan los paquetes?– Son marcados por la fuente– O Son marcados por el router de primer salto en la LAN– También podría hacerlo el mismo ISP


Clasificador MF• Usa una combinación de uno o más campos de la quíntupla

(dir.dest., dir. Orig.,pto orig, pto dest, id.protoc) en la cabecera del paquete para hacer la clasificación.

• Casos:– Marca paquetes con base en los tipos de aplicación (puertos). Ej:

Telnet, FTP.– Marca paquetes con base en direcciones particulares de origen,

destino o prefijos de red.• Es más versátil pero es más complejo que el BA ya que es un

problema multidimensional, mientras que el BA sólo clasifica por un parámetro (codepoint).


Clasificación MF

A

BC

Dirección fuente

Dirección destinoX1 X2 X3 X4 X5

Y1

Y2Y3

Y4Y5

P1 P2

Bit map 100 110 010 011 001

100

101111

110010

Bit map P2P2=AND(Y3,X4)=011

prioridad


Clasificación con Hashing

Es usada en Servicios Integrados

MANEJO DE COLAS (PLANIFICACION)

La situación

• store and forward:– Los routers almacenan los paquetes mientras son

procesados y luego los re-envían• Encolamiento:

– Políticas, estructuras de datos y algoritmos relacionados con el almacenamiento y selección de los paquetes para el re-envío.

Tipos de colas

• FIFO: First-In-First-Out:– Es el caso más simple– Debe diseñarse para tener un acceso eficiente– Debe notificar al receptor cuando hay paquetes

presentes– Debe manejar los casos extremos:

• Cola vacía: No hay paquetes en la cola• Cola Llena: No pueden agregarse más paquetes a la cola.

– El diseñador debe tener en cuenta:• Dónde ubicar la cola FIFO?• Qué tan larga debe ser la cola?

Tipos de colas

• Colas con Prioridades:– Son más complejas que la FIFO– Se favorecen unos paquetes sobre otros según

diferentes criterios• Contenido de los paquetes• Identidad del orígen• Tamaño del paquete

Colas con prioridades

• Ejemplos más usados:– Priority Queueing (PQ)– Weighted Round Robin (WRR)– WFQ (Weighted Fair Queueing)

Priority Queueing (PQ)

• Hay varias colas, cada una con una prioridad diferente

• Mientras haya paquetes en una cola de alta prioridad, las demás colas deben esperar.

• Hambruna: La cola de menor prioridad podría no ser atendida en mucho tiempo.

Weighted Round Robin (WRR)• Evita la hambruna• RR: Round Robin

– Se asigna a los clientes (flujos) un tiempo de servicio fijo (ranura de tiempo). Si el servicio no se completa durante este intervalo, el cliente (flujo) regresa a la cola, que es de tipo FCFS.

• WRR:– A un cliente se pueden asignar

varias ranuras de tiempo según la prioridad que posea.

– A mayor prioridad, más ranurasES1 ES2 ES3 ES1 ES2 ES3t

WRR

Ventajas• Aisla las colas• El tráfico excesivo en una

cola no afecta el servicio de las otras

Desventajas• Cálculos se hacen con base

en el tamaño medio del paquete

• Si el tamaño de los paquetes varía mucho con respecto a la media, algunas colas podrían recibir más tiempo de servicio y otras menos de lo debido.

WFQ• Weighted Fair Queueing:

Encolamiento Justo por pesos• Es utilizado en Servicios

Integrados• El objetivo es dividir el ancho

de banda de un enlace de salida entre los flujos de paquetes existentes de forma justa

• Evita la hambruna• Asigna recursos de manera

más precisa que WRR.

WFQ• Está basado en el

principio usado por GPS (Generalized Processor Sharing).

• La tasa de salida en bps es proporcional al peso asignado a cada flujo

• GPS es un modelo de fluidos

• Pero se requiere un modelo paquetizado

Modelo de fluidos

Modelo Paquetizado

Modelo paquetizado de WFQ

• PGPS: Packetized Generalized Processor Sharing

• Usa el Token Bucket:

WFQ

Ventajas• Aisla las colas para evitar

hambruna• Opera sin conocimiento

previo de las prioridades del tráfico, ni tampoco el tamaño de los paquetes

• Puede ser usado para garantizar el retardo límite de los paquetes

Desventajas• Uso de los recursos:

– Almacena información de estado

– Requiere cálculos para cada paquete que llega

• No es escalable para un gran número de flujos o tasas de tráfico altas para los agregados de tráfico

DESCARTE DE PAQUETES PARA EVITAR LA CONGESTION

Objetivo

• El problema: Congestión• Durante la congestión las colas de los routers se

acercan a su máximo límite.• Al llegar las colas a su máximo límite, no se

pueden recibir más paquetes y se pierden• Un método para reducir la congestión es

EVITARLA mediante el descarte de paquetes cuando el sistema está cercano a la congestión.

Métodos para evitar la congestión

• Hay métodos básicos:– Tail drop:

• Se desechan los paquetes que llegan cuando la cola está llena.

• El problema es que se produce el efecto de sincronización global con las comunicaciones que usan TCP (por el control de congestió en TCP)

– RED (Random Early Detection):• Después de cierto umbral de longitud de las colas, se

desechan paquetes aleatoriamente con cierta probabilidad (a mayor longitud de colas, mayor probabilidad de descarte)

• Esto evita la Sincronización global

EARLY RANDOM DROP

U.max

•Si el tamaño promedio de la cola esta entre el mínimo y el máximo umbral, cada paquete que llegue es marcado con probabilidad Pa. Cuando el tamaño promedio de la cola excede el U.max, cada paquete que va llegando va siendo marcado con Pb.

•Esto reduce la sincronización global.

U.min

Pb Pa Pa Pa Pa Pa

RED

1

0U.min U.max

Longitud promedio de la Cola

Según se va aproximando el tamaño medio de la cola al umbral máximo, va bloqueando un número cada vez mayor de paquetes.

Cuando bloquea los paquetes, RED escoge de qué conexiones bloqueará los paquetes de una forma aleatoria.

Pro

babili

dad d

e

blo

queo


Acondicionador de tráfico

• Realiza funciones de policía de tráfico para asegurar el TCA entre clientes e ISP.

• Consiste de 4 elementos:– Medidor (Meter)– Marcador (Marker)– Recortador (Shaper)– Desechador (Dropper)

Acciones sólopara paquetesno conformes


SLA• En DS los servicios se definen entre el cliente y el proveedor

de servicios con un SLA (Service Level Agreement)• Partes de un SLA:

– TCA (Traffic conditioning Agreement)– Disponibilidad– Seguridad– Monitoreo– Auditoría– Contabilidad– Precio– Cobro


TCA

• Detalla parámetros de servicio para perfiles de tráfico y control de policía.

• Puede incluir:– Perfiles de tráfico, tales como parámetros del token bucket

(difieren para c/clase)– Métricas de desempeño (throughput, retardo, prioridades)– Acciones para paquetes no-conformes– Servicios de marcación de paquetes y recorte

suministrados por el proveedor.


Algunos Parámetros de QoS

Tasa de bits

tiempo

PCR

SCR

MCR

MBS

MBS:MaximumBurst Size;Cuánto tiempo sePuede trabajarPor encima delSCR


Parámetros de QoS

Fracción celdas entregadas sin errorCERTasa errores celdas

Variación tiempo de entrega de celdasCDVVariac.retardo celda

Tiempo que lleva la entrega (medio, máximo)CTDRetardo transf.celda

Fracción de celdas que se pierden o entregan muy tarde

CLRTasa perdida celdas

Fluctuación de retardo máxima aceptable en las celdas

CVDTTolerancia de variac. De retardo celdas

Tasa celdas mínima aceptableMCRTasa celdas mín.

Tasa de celdas promedio a largo plazoSCRTasa celdas sostenida

Tasa máxima a la que se enviarán las celdasPCRTasa celdas pico

SignificadoSiglasParámetro


Medidor (Meter)

• Compara el flujo de tráfico de un cliente con su perfil de tráfico.

• Los paquetes que cumplen el perfil se dejan ingresar directo a la red.

• Los paquetes que no cumplen deben pasar por el acondicionamiento (marking, shaping, dropping).

• La mayoría de medidores son implementados con Token Bucket, ya que los perfiles son descritos en los términos de este algoritmo.


Medición de tráfico conToken Bucket


Marcador

• Fija el campo DSCP (codepoint) a un valor particular. Así se incluye el paquete en una clase de retransmisión.

• Podrían marcar paquetes no marcados o re-marcar paquetes ya marcados.

• También marcan paquetes no conformes con un valor especial de codepoint para indicar su no-conformidad.

• Los paquetes marcados como no conformes podrían ser desechados por la red ante congestión.


Marcador

• ¿Cuándo se re-marcan los paquetes?– Cuando hay cambio de dominio DS y en el nuevo dominio

son paquetes no conformes.– Cuando hay cambio de dominio DS y hay diferentes

codepoints en el nuevo dominio.• Casos de cambio de PHB:

– Degradación de PHB: El nuevo PHB es peor que el anterior (caso más común)

– Promoción de PHB: El nuevo PHB es mejor que el anterior


Marcado de paquetes con Dual token algorithm

PIR/PCB? CIR/CBS? Verde

Amarillo

Rojo

Token bucketP

Token bucketC

No cumple

cumple

No cumple

cumple


Recortador (Shaper)

• Función: Retarda los paquetes no-conformes hasta que cumplen con el perfil de tráfico.

• Un marcador sólo marca los paquetes pero los deja seguir a la red.

• Un recortador no permite que el paquete pase hacia la red hasta que cumpla con el perfil de tráfico.

• Puede requerirse un recortador al cambiar de dominio DS. El nodo de egreso debería recortar el tráfico para que cumpla con el perfil de tráfico apropiado para el siguiente dominio DS.


Desechador (Dropper)

• Desecha los paquetes no cumplientes con el perfil de tráfico

• Es más fácil de implementar que un shaper, pues no requiere un buffer mientras que el shaper sí.

Conclusiones

• El soporte de QoS es indispensable para las redes NGN

• El hecho de tener diferentes tipos de Servicios impone una problemática en redes IP

• Las soluciones existentes para soporte de QoS en redes IP son IntServ y DiffServ

• Los routers de IntServ y DiffServ utilizan diferentes mecanismos internos: clasificación, planificación, medición, recorte, marcado, desechado, detección temprana de la congestión

Gestión de los Servicios en DiffServ

Gracias!

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