DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UNA HERRAMIENTA PARA EL MONITOREO DE PARAMETROS DE QOS EN REDES NGN ALEXANDER SUAREZ RAMIREZ

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1 DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UNA HERRAMIENTA PARA EL MONITOREO DE PARAMETROS DE QOS EN REDES NGN ALEXANDER SUAREZ RAMIREZ UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE AUTOMATICA Y ELECTRÓNICA PROGRAMA DE INGENIERIA ELECTRÓNICA SANTIAGO DE CALI 2013

2 DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UNA HERRAMIENTA PARA EL MONITOREO DE PARAMETROS DE QOS EN REDES NGN ALEXANDER SUAREZ R Pasantía Institucional para optar al título de ingeniero Electrónico y Telecomunicaciones Director ZEIDA MARÍA SOLARTE Ingeniero electrónico UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE AUTOMATICA Y ELECTRÓNICA PROGRAMA DE INGENIERIA ELECTRONICA SANTIAGO DE CALI 2013

3 Nota de aceptación: Aprobado por el Comité de Grado en cumplimiento con los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar al título de Ingeniero Electrónico y Telecomunicaciones. HELMUT RUBIO Jurado LEONARDO SAAVEDRA Jurado Santiago de Cali 26 de Abril del

4 CONTENIDO Pág. RESUMEN 9 INTRODUCCIÓN PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA JUSTIFICACIÓN OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL OBJETIVOS ESPECÍFICOS ANTECENDENTES VQMANAGER CISCO IOS SAA D-ITG (DISTRIBUTED INTERNET TRAFFIC GENERATOR) MARCO TEÓRICO CALIDAD DE SERVICIO HERRAMIENTAS DE DESARROLLO Java Jpcap CONCEPTOS BÁSICOS REDES PRÓXIMA GENERACIÓN ARQUITECTURA NGN Estrato de transporte Estrato de servicio Estrato de gestión TECNOLOGÍAS DE ACCESO EN REDES NGN Acceso Wimax Acceso XDSL QoS Infraestructura Verificación. 25 4

5 Contratación COMPONENTES ARQUITECTURA NGN MG (MEDIA GETWAY) MGC (MEDIA GATEWAY CONTROLLER) CONCEPTOS BÁSICOSPARA LA CAPTURA DE PAQUETES ESTRUCTURA PARA CAPTURA DE PAQUETES ESTRUCTURA DEL FLUJO DE PAQUETES Nivel de kernel Nivel de usuario FILTROS BPF Esquema General Del Proceso De Captura BPF NPF DISEÑO DE LA HERRAMIENTA PARA EL MONITOREO DE PARÁMETROS QOS DISEÑO DEL SERVIDOR Captura De Paquetes Almacenamiento De Paquetes Cálculo De Parámetros Almacenamiento De Parámetros De QoS Resultados En Pantalla DISEÑO DEL CLIENTE Sincronización Captura De Paquetes Y Almacenamiento De Los Resultados DISEÑO DE LA INTERFAZ DE USUARIO EAGLE NETWORK SNIFFER INTERFAZ GRÁFICA SERVIDOR Ventana Principal Menú Archivo Iniciar Reporte Ayuda INTERFAZ GRÁFICA CLIENTE Ventana Principal Menú Archivo Menú Captura FILTROS Configuración De Filtros Unidireccionales. 51 5

6 Configuración De Filtros Bidireccionales SIMULACIONES Y RESULTADOS ANALISIS DE PARÁMETROS QoS PARA TRAFICO FTP ANALISIS DE PARÁMETROS QoS PARA TRAFICO VoIP CONCLUSIONES 61 BIBLIOGRAFÍA 62 6

7 LISTA DE FIGURAS Pág. Figura 1. Gráfico de Reporte de Llamada 15 Figura 2. Flujo de Paquetes 16 Figura 3. Interfaz Gráfica D-Itg 18 Figura 4. Modelo Vertical 20 Figura 5. Modelo Horizontal 20 Figura 6: Capas en una Red Ngn 21 Figura 7. Arquitectura Qos 24 Figura 8. Red con Mecanismos Qos 25 Figura 9. Red con Mecanismos Qos 25 Figura 10. Arquitectura Ngn 30 Figura 11. Media Gateway 31 Figura 12. Estructura de la Captura de un Paquete 32 Figura 13. Flujo de los Paquetes 33 Figura 14. Proceso de Captura Bpf 35 Figura 15. Almacenamiento de los Paquetes 36 Figura 16. Estructura Winpcap 37 Figura 17. Diagrama de Flujo Principal Servidor 38 Figura 18. Diagrama de Flujo Captura De Paquetes 39 Figura 19. Diagrama de Flujo Cálculo De Parámetros 41 Figura 20. Diagrama de Flujo Principal Cliente 42 Figura 21. Flujo de los Paquetes 43 Figura 22. Esquema Interfaz de Usuário Servidor 46 Figura 23. Ventana Principal Eagle Network Sniffer 47 7

8 Figura 24. Ventana de Configuración Servidor Y Cliente 48 Figura 25. Ventana de Reporte Parámetros De Qos 48 Figura 26. Esquema Interfaz De Usuário Cliente 49 Figura 27. Ventana Principal Cliente 50 Figura 28. Ventana de Sincronización del Cliente 51 Figura 29. Ventana de Configuración Ens 52 Figura 30. Ventana de Configuración Ens 52 Figura 31. Ventana de Configuración Ens 53 Figura 32. Ventana de Configuración Ens 53 Figura 33. Ventana de Configuración Ens 54 Figura 34. Ventana de Configuración Ens 54 Figura 35. Esquema de Prueba Para Captura Y Análisis De Parámetros Qos Para Una Llamada De Voip 55 Figura 36. Esquema de Prueba Y Análisis de Parámetros Qos Para Ftp 56 Figura 37. Esquema de Prueba Y Análisis de Parámetros Qos Para Voip 58 8

9 LISTA DE CUADROS Cuadro 1. Evolución de Tecnología Wimax 23 Cuadro 2. Parámetros de Calidad De Servicios Para Los Distintos Servicios en Redes Ngn 28 Cuadro 3. Resultados Obtenidos Para la Aplicación de Ftp Utilizando Eagle Network Sniffer Y D-Itg 57 Cuadro 4. Comparación de Datos Obtenidos del Servicio de Ftp Con Parámetros de Recomendación Y Cuadro 5. Resultados Obtenidos Para la Aplicación de Voip Utilizando Eagle Network Sniffer Y D-Itg 59 Cuadro 6. Comparación de Datos Obtenidos del Servicio de Voip con Parámetros de Recomendación Y

10 RESUMEN En la actualidad, es importante para los usuarios conocer la calidad de los servicios de telecomunicación en las redes de nueva generación, tal y como se venía realizando en la redes convencionales. Esto debido a que es necesario el control de la calidad del servicio (QoS) que se ofrece por parte de los proveedores de telecomunicaciones. El documento describe el proceso de diseño adoptado para crear una herramienta que permite medir parámetros de QoS. Se presentan una serie de pruebas, las cuales permiten comprobar en un ambiente controlado y de manera conjunta con otros simuladores que los datos obtenidos son válidos o coherentes. Palabras claves: IP, Monitoreo, TCP, UDP, QoS, VoIP, NGN 10

11 INTRODUCCIÓN Los operadores de telecomunicaciones en Colombia hace algunos años ofrecían servicios de voz y datos en distintas infraestructura de red, esto ha evolucionado en los últimos años para ofrecer la voz y los datos en una sola infraestructura de datos conocida como Red de próxima generación (NGN Next Generation Network). Las redes de próxima generación cuentan con una plataforma unificada de transporte, control, señalización para voz, datos y multimedia, donde la velocidad de transmisión de los paquetes es muy alta, debido a que se soporta en protocolos que facilitan el intercambio de los paquetes. Se deberá tener en cuenta aspectos como la calidad del servicio demandado por las aplicaciones del cliente, ya que sobre las redes NGN se soportan un gran número de aplicaciones y servicios. La medición de la calidad del servicio es de vital importancia tanto para el proveedor de servicios de Internet como para la comisión reguladora (en el caso colombiano, la Comisión de Regulación de las Telecomunicaciones) y los clientes, debido a que las aplicaciones y servicios ofrecidos en las redes NGN deben cumplir con unos valores establecidos en la recomendación Y.1541, la cual tiene por objetivo evaluar la calidad de funcionamiento de la red para servicios basados en el protocolo Internet. El proyecto de investigación de índole académico hace parte de un proyecto que se está realizando en la universidad ICESI, el cual pretende diseñar e implementar una herramienta que tienen como objetivo fundamental medir parámetros de QoS directamente de una traza de tráfico. Una vez realizada la herramienta se definirán escenarios controlados de pruebas, para realizar un análisis que permita evaluar y comparar resultados obtenidos. 11

12 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Para la redes de nueva generación (NGN) la calidad de servicio ha sido el motivo de debates, donde se discute si el nivel de servicios que se ofrece a los usuarios por parte del proveedor de telecomunicaciones, cuenta con un nivel de calidad suficiente para su correcto funcionamiento. Los proveedores de telecomunicaciones de banda ancha realizan la medición de la calidad de servicio, haciendo uso de equipos con aplicaciones propietarias que funcionan solo con sus equipos de interconectividad, en donde se desconoce si los parámetros que son presentados al ente regulador (en el caso colombiano, la Comisión de Regulación de las Telecomunicaciones) son correctos y no han sido manipulados. Lo anterior genera la necesidad de diseñar una herramienta que permita obtener la medición de los parámetros de QoS directamente de una traza de tráfico, para poder dar validez de los resultados obtenidos. 12

13 2. JUSTIFICACIÓN En la actualidad los operadores de servicio de telecomunicaciones tienen la necesidad de ofrecer un nivel de calidad y servicio óptimo, debido a que es un diferenciador por parte del cliente entre los distintos proveedores de telecomunicaciones. Por otra parte para el ente regulador (en el caso colombiano, la Comisión de Regulación de las Telecomunicaciones) también es de suma importancia que los operadores que utilicen redes de nueva generación (NGN), deben de cumplir con unos valores establecidos de jitter, delay y perdida de paquetes, estos valores se verificaran en la recomendación Y.1541 para poder evitar eventuales abusos por el proveedor de Internet, por esta razón la medición de estos parámetros juega un papel muy importante. 13

14 3. OBJETIVOS 3.1. OBJETIVO GENERAL Diseñar y desarrollar una herramienta que permita obtener los parámetros de calidad y servicio directamente de una traza de tráfico y verificar si estos parámetros están entre los límites establecidos en las recomendaciones de la ITU-T Y OBJETIVOS ESPECÍFICOS Diseñar una herramienta que permita calcular IPTD, IPDV, IPLR, packet rate, bit rate, número de paquetes y tiempo total de la captura, para un traza de trafico IP. Realizar mediciones con la herramienta implementada bajo diferentes condiciones de tráfico en la red utilizando el laboratorio de redes de la Universidad Icesi. Realizar capturas y mediciones de tráfico con la herramienta D ITG para comparar los datos obtenidos con los datos medidos con la herramienta diseñada. 14

15 4. ANTECENDENTES Se presentarán las características de diferentes herramientas que permiten medir parámetros de QoS, con el fin de contextualizar el trabajo a realizar y las características de la herramienta a diseñar y desarrollar VQMANAGER VQManager es una herramienta para realizar el monitoreo continuo en web de la calidad de servicio en una red de VoIP que soporte SIP, H.323, Cisco SCCP (Skinny) y RTP/RTCP. Monitorea en tiempo real el flujo de la llamada para generar informes instantáneos y en detalle en una interfaz web (ver figura 1) de los parámetros como jitter, delay, pérdida de paquetes, número de paquetes analizados y demás. Figura 1. Gráfico de reporte de llamada El VQManager es una herramienta que monitorea los paquetes que fluyen en una llamada IP, de acuerdo a estos paquetes se realizan gráficos en detalle del flujo de la llamada (ver figura 2) y generan estadísticas con reportes pasados que han sido guardados en una base de datos. 15

16 Figura 2. Flujo de paquetes VQManager es una herramienta con características interesantes y una interfaz amigable que puede ser accedida de manera remota, la cual cumple con la función de facilitar la labor del administrador, pero se limita al monitoreo de solo VoIP CISCO IOS SAA Cisco SAA (Service Assurance Agent) es un software para realiza la medición de parámetros de QoS, el cual viene embebido en routers cisco 17xx con IOS versión 1205T o superior. Ofrece una herramienta para la supervisión del rendimiento de la red para un acuerdo de nivel de servicio IP SLA (Service Level Agreements). Estos routers proporcionan estadísticas en conexiones extremo a extremo generando datos de los parametros de Qos como lo son jitter, delay y perdida de paquetes durante un periodo de tiempo establecido (ver figura 3), deben de estar instalados en la misma red con los dispositivos a los cuales se le realizaran las mediciones, estos almacenaran los datos de QoS que su vez podrán ser accedidos mediante la aplicación IPM (Internetwork Performance Monitor) la cual se encuentra en el software de cisco IOS o por medio de la herramienta de SNMP. 16

17 Figura 3. Gráfico de Reporte SAA SAA es un software que ofrece una solución para el análisis de la calidad de servicio ofrecido en IP y elimina el uso de otros software o hardware dedicados a este mismo análisis, puede configurarse para que se tomen acciones correctivas cuando hayan problemas en la red, pero su limitante es el uso de aplicaciones propietarias que solo funcionan en dispositivos cisco D-ITG (DISTRIBUTED INTERNET TRAFFIC GENERATOR) Es una herramienta libre desarrollada en la Universidad degli Studi di Napoli Federico II que tiene como función generar tráfico a nivel de paquetes e inyectarlo en la red de manera confiable. Posteriormente genera un informe con los parámetros como IPTD, IPDV e IPLR obtenidos del flujo inyectado. La herramienta puede ser utilizada de dos maneras: la primer manera es ejecutando un archivo llamado (ITGSend.exe) del lado emisor de los paquetes, el cual utiliza un script para configurar el tipo de flujo y a quien se dirige los paquetes, luego son enviados estos datos a otra aplicación la cual se ejecuta del lado del receptor (ITGRecv.exe) para recibir los paquetes sin problemas, una vez finalizado él envió de los paquetes se genera un archivo log, el cual debe ejecutarse con la aplicación (ITGDec.exe), generándose un archivo que contiene los parámetros de interés. La segunda manera es haciendo uso de una interfaz gráfica realizada por Volker Semken que se puede ver en la figura 4. 17

18 Figura 3. Interfaz Gráfica D-ITG D-ITG es un software muy completo que ofrece una solución para el análisis de la calidad del servicio sobre un tráfico que se genera por el mismo software y en donde se utilizan tiempos ya sea Round Trip Time o One Way Delay según sea el caso. El tráfico que se inyecta en red por parte del software es muy preciso, ya que se configuran parámetros como el número de paquetes, puerto origen, puerto destino, protocolo y tipo de tráfico. Pero este software se limita a que solo genera los parámetros de calidad y servicio para tráfico generado por la misma herramienta, lo cual puede tener consecuencias negativas sobre la red. 18

19 5. MARCO TEÓRICO 5.1. CALIDAD DE SERVICIO La calidad de servicio fue definido en 1984 en el documento E-800 de la ITU como el efecto colectivo del rendimiento de un servicio, que determina el grado de satisfacción del usuario de dicho servicio, dicho esto, para determinar la calidad servicio se necesita satisfacer las necesidades del usuario en un servicio determinado HERRAMIENTAS DE DESARROLLO Java Para el desarrollo de la herramienta se utilizara java como lenguaje de programación, el cual fue creado por Sun Microsystems en Siendo un lenguaje de alto nivel orientado a objetos el cual toma mucha de la sintaxis de C y C++ como referencia. Java está compuesto generalmente por un compilador y un intérprete: el compilador produce un código de bytes que se almacenan en un archivo para ser ejecutado por el intérprete llamado máquina virtual de java Jpcap. Para el de desarrollo del trabajo de grado se utilizó la librería de Jpcap de código abierto, con el cual se podrá realizar un análisis de las redes en general en la plataforma de win32. Se tendrá la opción capturar todo el flujo que circula en la red o se tendrá la posibilidad de filtrar paquetes de acuerdo a configuraciones realizadas, aceptando los paquetes necesarios y descartando los paquetes filtrados. También se tienen la posibilidad de crear paquetes y ponerlos a circular en la red para realizar posibles análisis. Las librerías de Jpcap son utilizadas por aplicaciones para realizar análisis en la red. A continuación se nombran algunas aplicaciones que se basan en Jpcap. Monitoreo de redes. Generadores de tráfico. Herramientas de seguridad. 19

20 Analizadores de red y protocolos. Detección de intrusos. 5.3 CONCEPTOS BÁSICOS REDES PRÓXIMA GENERACIÓN Las redes de próxima generación (Next Generation Network) son la evolución de las redes tradicionales, que ofrecen sus servicios en plataformas independientes en un modelo vertical (ver figura 5), generando costos de operación muy elevados debido a sus distintos tipos acceso. Esto llevo a una convergencia para utilizar una plataforma unificada conocida como modelo horizontal (ver figura 6) para prestar servicios a los usuarios, los cuales se pueden enlazar por distintas tecnologías de acceso como también diferentes dispositivos de usuario final. Figura 4. Modelo vertical Servicios Telefonía Internet TV Radio Red Conmutada Acceso Radio Cable Satélite Radiodifusión Figura 5. Modelo Horizontal Servicios Telefonía TV Radio Web Correo NGN 20

21 5.4 ARQUITECTURA NGN La arquitectura de las redes NGN está conformada por tres capas: transporte, servicios y gestión (ver figura 7), se explican en detalle las funciones de cada capa en las siguientes secciones. Figura 6: Capas en una red NGN GESTION (Facturación, Gestión usuarios, etc.) SERVICIOS/APLICACIONES (VoIP, video, datos, multimedia) TRANSPORTE QoS RED DE CORE (IP/MPLS) RED DE ACCESO (Xdsl, WIMAXHFC, Ethernet) USUARIOS (Residenciales, Corporativos, Móviles, Banda Ancha) Estrato de transporte. La función básica del estrato del transporte es proporcionar una interconexión e interoperabilidad entre las redes de acceso, este estrato de transportes está conformado por dos componentes que describen en detalle a continuación. La red de acceso provee una conectividad a los usuarios hacia la red NGN, se podrá acceder por medio de tecnologías como Ethernet, cable coaxial, fibra óptica, xdsl, PLC, WIMax entre otros. Una vez que se haya establecido una conexión a la red NGN, se podrá acceder sin restricción alguna a todos los servicios que estén en la capa de aplicación, proporcionando mecanismos de calidad de servicio para el tráfico del usuario. La red de core asume el rol de transportar el tráfico a través de todo el núcleo de la red NGN, siendo la encargada de contactar el punto de acceso entre el 21

22 usuario y los servicios. Permitiendo la interconectividad entre la red PSTN (Public switched telephone network) a la red NGN Estrato de servicio. Este estrato es el encargado de entregar los servicios y aplicaciones al usuario final, los cuales pudieron haber sido desarrollados internamente o por terceras personas, se le permitirá a los usuarios acceder sin importar el tipo de conexión a la red o el lugar donde se encuentren. Otra función del estrato de servicio es almacenar los perfiles de usuario y los servicios que ha utilizado previamente Estrato de gestión. En el estrato de gestión el operador podrá monitorizar la red con el fin de administrar los servicios y la calidad que se está ofreciendo. Adicionalmente se maneja todo lo referente a la facturación por los servicios que se prestan TECNOLOGÍAS DE ACCESO EN REDES NGN En esta sección se describen las tecnologías de acceso como lo son Wimax y xdsl para conexión a la plataforma de las redes de próxima generación, cabe referenciar que estas dos tecnologías no son las únicas existentes Acceso Wimax. Wimax (Interoperabilidad mundial para acceso por microondas) es una tecnología de banda ancha que utiliza ondas de radio en las frecuencias de 2.3 a 3.5 Ghz, utiliza el estándar IEEE que ha estado en constante evolución desde la primer versión que fue publicada en el 2001 hasta la versión más reciente m conocida como Wimax 2 será publicada hasta noviembre del A continuación se explica en la tabla 1 la evolución de wimax. 22

23 Cuadro 1. Evolución de Tecnología Wimax Estándar IEEE IEEE a IEEE c IEEE d IEEE e IEEE m Descripción Publicada en el año 2001, utiliza un rango de frecuencia de 10 a 66 Ghz con un ancho de banda de 120 Mbps en rango de distancia de 50Km, se necesitó que este tipo de conexiones tuvieran línea de visión directa, de lo contrario no se establece conexión. Publicada en el año 2003, utiliza un rango de frecuencia de 2 a 11 Ghz, soportaba transmisiones sin necesitan de tener línea de visión directa y adopto OFDM (Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales) en la capa de nivel físico. Publicada en el 2003, utiliza un rango de frecuencia de 10 a 66 Ghz, se corrigen algunos errores de la versión inicial aumentando la interoperabilidad y consistencia entre equipos de diferentes fabricantes. Publicada en el 2004, es utilizado para acceso fijo entre la estación base y un equipo de usuario situado en el domicilio, establece velocidades teóricas de Mbps con un ancho de banda 20MHz Publicada en el 2005, es utilizado para acceso móvil, permitiendo el desplazamiento del usuario y se conoce como Mobile Wimax. Extensión del que entrega datos a velocidad de 1 Gbit/s en reposo y 100 Mbit/s en movimiento Acceso XDSL. La tecnología xdsl (Digital Subscribe Line) de acceso a internet banda ancha se basa en la digitalización del bucle de abonado de par de cobre telefónico. Se pueden encontrar diferentes versiones como lo son: ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line): es una tecnología de acceso a internet de banda ancha muy superior en velocidad que la utilizada mediante la marcación telefónica a internet, que ofrece la posibilidad de hablar por teléfono al mismo tiempo que se navega por internet utilizando la red telefónica conmutada. ADSL2: Provee una mayor velocidad de transferencia en el enlace de bajada 12 Mbps y de subida 1 Mbps, debido a que utiliza mecanismos factibles frente a las atenuaciones y fenómenos de diafonía presentes en los pares de cables del tendido telefónico. 23

24 ADSL2: Esta es un técnica que mejora las velocidades de subida y de bajada de ADSL2 a 24 Mbps y 1.2 Mbps respectivamente QoS Dentro de la arquitectura de una red próxima generación se define una capa virtual de QoS (calidad de servicio) la cual se compone de tres estratos como lo son estrato de infraestructura, verificación y contratación que se relacionan mutuamente con la capa de servicio y con la red de transporte. Figura 7. Arquitectura QoS Contratación: Niveles de Acuerdos de Servicio Verificación: Y.1541 Infraestructura: Dispositivos de Red-Configuración en el Núcleo de Red Infraestructura. El estrato de infraestructura es donde se ejecutan los métodos para garantizar calidad de servicio a las aplicaciones, ya sea en la configuración previa que tenga el núcleo del operador que es basado en tecnología MPLS (Multiprotocol Label Switching) y en los dispositivos de interconectividad que utilizan métodos que brinden calidad de servicio. Existen distintos tipos de estrategias de encolamiento, que se utilizan en situaciones en donde la demanda de ancho de banda requerida por las aplicaciones excede el ancho total de la red, tal como se puede apreciar en las figuras 9 y 10 en donde se tiene una red con mecanismos de QoS, en la que se satura el enlace debido a que el tráfico ha aumentado, resultando perdida del tráfico de la cola Q 1 la cual tiene menos prioridad. 24

25 Figura 8. Red con mecanismos QoS Figura 9. Red con mecanismos QoS Verificación. En el estrato de verificación se realizan procesos que comprueban si se está garantizando la calidad del servicio en las aplicaciones, esto se demuestra mediante los parámetros que se exponen en la recomendación ITU-T Y.1540 y verificando que estos parámetros se encuentren en unos valores establecidos en la recomendación ITU-T Y.1541 para así certificar que la aplicación cuenta con una calidad de servicio adecuada para la aplicación Recomendación Y La definición adoptada por la ITU-T (International Telecommunication Union Telecommunication Standarization Sector) sobre la recomendación Y.1540 define los parámetros de calidad de funcionamiento relativo a la disponibilidad y la transferencia de paquetes del protocolo Internet. Estos parámetros se aplican al servicio IP de extremo a extremo o punto a punto para los distintos servicios. 25

26 La presente recomendación va dirigida a los proveedores de servicio de Internet para estar al tanto de la calidad de servicio que se le entrega al cliente, para así poder tomar acciones correctivas cuando no se está cumpliendo con los valores establecidos por la recomendación Y.1541; para el ente regulador (en el caso colombiano, la Comisión de Regulación de las Telecomunicaciones) esta recomendación sirve para evitar abusos por parte de los proveedores de servicio de telecomunicaciones que utilizan NGN; para el usuario esta recomendación es de suma importancia, ya que define los parámetros que se deben de tener en cuenta para el análisis de la calidad de servicio en una red IP, ya que es importante saber si el nivel servicio que están recibiendo por parte del proveedor de internet, o corresponde al que pagan por tenerlo. Esta recomendación define cinco parámetros que se deben de tener en cuenta para el análisis de la calidad de servicio en una red IP, pero para el diseño de la herramienta se tuvieron en cuenta solo tres parámetros que se explicaran a continuación. IPTD (IP PACKET TRANSFER DELAY) Indica el retraso desde la salida de un paquete hasta que este llega a su destino, siendo este parámetro muy frecuente en las aplicaciones de voz sobre IP. Existen distintos tipos de retardo IPTD que se explican a continuación. Retardo de propagación Este se presenta en el medio en que se propagan los paquetes, ejemplo cable coaxial fibra óptica o el aire. Retardo de almacenamiento y envió Se presenta en dispositivos como routers, y switches donde se tiene un procesamiento de los paquetes. Retardo de transmisión. Es el tiempo que ocupa el emisor en poner la información en la línea de transmisión. Retardo del jitter buffer Este es causado por la retención de paquetes antes de enviarlos al destino. Considerando lo dicho anteriormente y haciendo uso de la siguiente expresión se podrá calcular IPTD. 26

27 n xi i= 1 Retardo= n xi = Retardo de cada paquete n = numero de paquetes IPDV (IP PACKET DELAY VARIATION) La variación del retardo también llamada jitter se define como la diferencia del tiempo de llegada de los paquetes, medido por el receptor en comparación con su valor esperado. Es un efecto que se produce en las redes no orientadas a la conexión, donde la discretización de la información en paquetes produce que al llegar estos paquetes al receptor no lleguen en el mismo orden. Considerando lo dicho anteriormente y haciendo uso de la siguiente expresión se podrá calcular IPDV. 2 xi n retardo i= 1 Variaciondelretardo= n 1 xi = Retardo de cada paquete n = numero de paquetes enviados n 2. IPLR (IP PACKET LOSS RATIO) Hace referencia a la rata de pérdida de paquetes, la cual se obtiene entre el total de paquetes perdidos sobre el total de paquetes transmitidos en un flujo de datos determinado, existen dos formas por las cuales se descartan los paquetes: descartados por el jitter buffer y por la red. La causa más importante por la que se pierden los paquetes en la red, es porque en los routers se congestionan debido a que se está generando mucho tráfico, este fenómeno se llama cuello de botella el cual genera que la entrada de los buffer se llene, generando que los paquetes se desechen. Rata de perdida de paquetes = PL n PL = paquetes perdidos n = numero de paquetes 27

28 Recomendación Y La recomendación Y.1541 define los Objetivos de calidad de funcionamiento de red para servicios basados en el protocolo Internet. Esto quiere decir que la recomendación Y.1541 detalla los valores de calidad de servicio que se deben alcanzar por parte de los parámetros de la recomendación Y Esta recomendación está conformada por unas clases en donde se ubican los servicios que se ofrecen por parte del proveedor de internet, a su vez estas clases se confrontan con los parámetros de la recomendación Y.1540 para así establecer los valores que debe de tener cada servicio (ver tabla 2). Cuadro 2. Parámetros de calidad de servicios para los distintos servicios en redes NGN Parámetro de calidad de funcionamie nto de red Clase 0 Clase 1 Clases de QoS Clase 2 Clase 3 Clase 4 Clase 5 * IPTD 100ms 400ms 100ms 400ms 1s U IPDV 50ms 50ms U U U U IPLR 1x10 3 1x10 3 1x10 3 1x10 3 1x10 3 U IPER 1x10 4 U *Clase no especificada. U significa no especificado o sin límites. CLASE 0 Servicios muy interactivos, en donde los parámetros de delay y jitter juegan un papel muy importante para que las aplicaciones tengan un buen funcionamiento. Los servicios que se incluyen en clase 0 son: VoIP, videoconferencia, y difusión de audio. CLASE 1 Servicios muy interactivos, son muy parecidos a los de clase 0 pero la diferencia radica que la tolerancia del delay es mayor. Los servicios que se incluyen en clase 1 son: VoIP y videoconferencia a grandes distancias. 28

29 CLASE 2 Las aplicaciones que se ubican en estrato 2 son de datos transaccionales interactivos en donde el retardo juega un papel muy importante, pero estas aplicaciones son poco sensibles al jitter. Los servicios que se incluyen en clase 2 son: navegación y señalización. CLASE 3 Se ubican aplicaciones como en la clase 2 pero se admiten valores de retardo mayores. CLASE 4 Se ubican aplicaciones donde se soportan pérdidas de datos y no se tienen problemas con el retardo como por ejemplo: videostreaming, transferencia de archivos etc Contratación. En el estrato de contratación se generan acuerdos entre el proveedor de servicios y el usuario, en donde se definen las aplicaciones utilizadas por parte del usuario, estas son clasificadas en las cuatro clases vistas anteriormente, las cuales tienen unos valores límites establecidos de parámetros de QoS que el proveedor debe de garantizar COMPONENTES ARQUITECTURA NGN Los componentes que se encuentra comúnmente en la arquitectura NGN (ver figura 11) son los MG (Media getway), MGC (Media Gateway controller), dispositivos de acceso, entre otros. 29

30 Figura 10. Arquitectura NGN Services Voice Services Multimedia Services Data Services Management Internet MG End-to-end ISP Network Management MG Other Carriers MG MG MG Access TDM Equipment New Access Customerpremise portfolio Premise MG (MEDIA GETWAY). El Media getway se utiliza en los teléfonos analógicos para transformar la señal análoga en digital, el componente más común que tiene el media gateway es el DSP (Digital signal processor) como se aprecia en la figura 12, el cual tiene la función de transformar la señal analógica en digital, eliminar el eco, detección de silencio, compresión de audio y video y convertir la voz en paquetes debido a que la red NGN trabaja solo con IP. Tiene una interfaz Ethernet y utiliza RTP (Real-time transport protocol) para transmitir los datos. 30

31 Figura 11. Media Gateway Control Configuration Data Circuit DSP Processor Memory Codec And tone Algorithms Packet MGC (MEDIA GATEWAY CONTROLLER). Es el dispositivo más importante dentro de la arquitectura NGN ya que se encarga del control y procesamiento de la llamada sobre una red IP, su objetivo principal es brindar un servicio confiable y con calidad tal como se presenta en una red conmutada. Las características más importantes son: Capacidad de proveer sobre la red IP un sistema telefónico confiable en todo momento. Enrutamiento de las llamadas. Compatibilidad con la red conmutada. Bajo costo debido a que se tiene una plataforma unificada. Sistemas de facturación CONCEPTOS BÁSICOSPARA LA CAPTURA DE PAQUETES En esta sección se describe el proceso de captura y flujo de los paquetes desde las capas más bajas del sistema operativo, hasta que estos paquetes llegan al usuario final pasando por una serie de procesos de filtrado realizados mediante el uso de NPF Netgroup Packet Filter, el cual pertenece a la estructura Winpcap en donde se seleccionan solo los datos requeridos para el correcto funcionamiento de la aplicación. 31

32 5.9. ESTRUCTURA PARA CAPTURA DE PAQUETES En primera instancia para realizar mediciones de los parámetros se debe de tener conocimiento de cómo es capturado un paquete y a su vez procesado para realizar una aplicación. En el nivel más bajo se encuentra el adaptador de red o NIC que es utilizado para capturar los paquetes que circulan por la red, durante este proceso el NIC debe de estar en modo promiscuo para capturar incluso los paquetes que no son directamente para el PC. En la figura 13 se puede observar la estructura para la captura de un paquete, la cual consta del packet capture drive, el cual es un módulo que trabaja a nivel del kernel e interactúa con el adaptador de red para capturar los paquetes. Seguido del packet capture drive se encuentra el packet.dll que trabaja a nivel de usuario, son una librerías de enlace dinámico que proveen funciones como la obtención de información de la tarjeta de red y la lectura de los paquetes que circulan en la red. Este es el funcionamiento básico de la arquitectura para la captura de paquetes. Figura 12. Estructura de la captura de un paquete ESTRUCTURA DEL FLUJO DE PAQUETES 32

33 Los paquetes que fluyen en la red son utilizados por la herramienta, ya sea porque van dirigidos a la tarjeta de red del ordenador o porque la tarjeta de red se encuentra en modo promiscuo. Luego de ser capturados los paquetes pasan por un proceso de filtrado, existen dos tipos de filtros BPF Berkeley Packet Filter y NPF Netgroup packet filter, una vez filtrados los paquetes estos son utilizados por la aplicación. A continuación se profundiza las partes que conforman el nivel de kernel y usuario. Figura 13. Flujo de los paquetes Nivel de kernel. La captura de los paquetes se realiza en las capas más bajas del sistema operativo llamada área del kernel, es realizado por la tarjeta de red la cual lee los paquetes que se encuentran circulando en la red dejando pasar solo los paquetes necesarios, esto es evitado mediante filtros que son configurados por el programador los cuales bloquean los paquetes indeseables dejando pasar solo los paquetes necesarios para almacenados en 33

34 un buffer, evitando pérdidas de paquetes, debido a que la aplicación a nivel de usuario puede no estar lista para procesarlos. La interacción entre el nivel del kernel y el de usuario se realiza con una función la cual toma los paquetes que están el buffer y los pasa a la interfaz de usuario en un tiempo establecido Nivel de usuario. A nivel de usuario se encuentra el PACKET.DLL es una librería de enlace dinámico la cual se encuentra entre la captura de paquetes y la aplicación a nivel de usuario, ofrece funciones para el manejo de los adaptadores de red como leer, enviar paquetes y filtrar paquetes. También se encuentra libpcap library siendo una librería originaria de UNIX, esta tiene una versión para win32 la cual proporciona una interfaz de alto nivel para la captura de los paquetes mediante el dispositivo de red. Por último en el nivel más alto se tiene la aplicación la cual con los datos obtenidos en los niveles inferiores se calculan los parámetros que afectan la calidad de servicio como son jitter, delay y pérdida de paquetes, con estos valores se comprobara si el servicio prestado cuenta con calidad necesaria FILTROS El proceso de filtrado se realiza mediante el uso de NPF Netgroup Packet Filter el cual pertenece a la estructura Winpcap, siendo NPF la evolución de BPF Berkeley Packet Filter el cual fue creado para trabajar en sistemas UNIX. A continuación se describirá la estructura de BPF Y NPF BPF. BPF Berkeley Packet Filteres un filtro que trabaja a nivel de kernel, el cual funciona como tapón dejando solo pasar los paquetes escogidos por el usuario, fue creado para trabajar en sistemas UNIX, cuenta con dos grandes componentes como lo son network tap y el packet filter, los cuales se describen con más detalles en la siguiente sección. NETWORK TAP El network tap hace parte del código BPF pero este no lo ejecuta. Es el encargado de agrupar los paquetes desde el dispositivo de red, si estos paquetes son aceptados por los filtros se colocaran en un buffer y serán devueltos a aquellas aplicaciones a las cuales vaya destinado. 34

35 PACKET FILTER Es el encargado de filtrar los paquetes generados en la red, si los paquetes son aceptados pasaran hacia la aplicación, en caso contrario serán descartados. BPF no solo se encarga de filtrar el tráfico también se encarga de enviar hacia la aplicación solo el número de bytes necesarios esto quiere decir que si se aplica un filtro solo para obtener los datos del paquete BPF se descartaría las cabeceras, esta acción favorece el rendimiento debido a que los buffer no almacenaran el tamaño total del paquete Esquema General Del Proceso De Captura BPF. En la figura 15 se puede observar el esquema general de captura de los paquetes por medio de la tarjeta de red, en el proceso de captura BPF se encarga de comparar cada uno de los paquetes con los filtros establecidos, si estos paquetes son aceptados pasaran hacia sus respectivos buffers que tienen un tamaño por general de 4KB. Un buffer está compuesto por store buffer, el cual recibe los paquetes que llegan desde la tarjeta de red, y otro llamado hold buffer el cual envía los paquetes hacia la aplicación. Figura 14. Proceso de captura BPF Application UserLevel User-Buffer LibpcapCalls Libpcap Library KernelLevel Hold Buffer Store Buffer Filter Device Driver (Berkeley Packet Filter) Protocol Stack Network Tap Link-Layer Driver Network Packets 35

36 NPF. NPF puede considerarse como la evolución de BPF debido a que conserva módulos iguales, como lo son los buffers, etapas de filtrado y las bibliotecas tal y como se puede apreciar en la figura 17. La diferencia radica en que los buffers circulares a nivel del kernel procesan los datos, pero estos datos ya no son de tamaño fijo debido a que la cantidad de bytes copiados se actualizan mientras pasan desde el espacio del kernel hacia el espacio del usuario. NPF realiza tareas como la captura de los paquetes, monitoreo, almacenamiento de la información e inyección de tráfico. MONITOREO DE RED Localizándose a nivel del kernel, se encarga de proporcionar estadísticas sobre el tráfico de la red, estas estadísticas se pueden obtener sin necesidad de descargar los paquetes hacia el computador, permitiendo que no se gaste memoria del disco duro ni tampoco en procesamientos innecesarios. ALMACENAMIENTO DE LA INFORMACIÓN El almacenamiento de la información que contienen los paquetes se puede realizar de dos maneras: la primera forma de almacenar los paquetes que se guardan en el disco duro, es siguiendo las flechas de color negro como se puede visualizar en la figura 16, este tipo de almacenamiento tiene un problema ya que se realiza desde el espacio de usuario y requiere de un procesamiento mayor. La segunda manera de almacenar los datos es directamente desde el espacio del kernel, el recorrido que hacen los paquetes se puede ver siguiendo las flechas rojas de la figura 16, este tipo de almacenamiento tiene la ventaja de ser más corto en el recorrido de los paquetes, además el procesamiento disminuye drásticamente. Figura 15. Almacenamiento de los paquetes User-Mode Buffer Application Buffer Packet Capture TrafficLogging capture Kernel-Mode Buffer Drive r Buffer File System Packets Disk 36

37 Figura 16. Estructura Winpcap 37