Contribución al aseguramiento de la calidad de servicio en redes metropolitanas Ethernet

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1 Contribución al aseguramiento de la calidad de servicio en redes metropolitanas Ethernet Omar Álvarez (1), Margarita G. Mayoral (1), Carmen Moliner (2) (1) Universidad de Colima, Facultad de Telemática, Av. Universidad # 333, Colima México Tel/Fax +52 (312) , xe1aom@ucol.mx (2) Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría, Departamento de Telemática, Marianao, Ciudad de La Habana Cuba, Tel/Fax / Resumen El propósito de un sistema de control de admisión (ACS) es garantizar las necesidades de calidad de servicio en las transmisiones de voz y video. Estos sistemas consideran entre sus variables el retardo, variación de retardo o pérdida de paquetes. Este documento presenta un análisis de la posible interacción del control de admisión basado en pruebas con MPLS (Multiprotocol Label Switching). Acotaremos la red de transporte a la familia Ethernet, la cual ha incursionado de manera importante dentro de los ámbitos metropolitanos con su estándar 802.3ae. Nuestra propuesta emplea las funcionalidades de MPLS agregándole un esquema de control de admisión basado en pruebas llevando la complejidad y aceptación de nuevas sesiones a los extremos de la red. Se describirá el procedimiento para la interoperatividad con MPLS y sus ventajas de implementarse sobre una red metropolitana Ethernet. Palabras clave: Ethernet, MPLS, DiffServ, control de admisión, OPNET. Contribution for ensuring quality of service in metropolitan Ethernet networks Abstract REVISTA INGENIERÍA UC. Vol. 14, N o 2, 14-18, 2007 The purpose of admission control systems (ACS) is to guarantee the quality of service of voice and video transmission. These systems are generally based on delay, jitter or packet loss. Our work provides an analysis of the possible interaction of a probe-based admission control system with MPLS (Multiprotocol Label Switching). We used Ethernet as our transport network because the standard 803.3ae is widely used in metropolitan area networks. This work employs all the MPLS benefits, including a probe-based admission system, which leaves the complexity and accepting procedure for new sessions to the end network nodes. We explain how the ACS will interoperate with MPLS and describe the improvements related to its use in a metropolitan Ethernet network. Keywords: Ethernet, MPLS, DiffServ, admission control systems, OPNET. 1. INTRODUCCIÓN Existen varios mecanismos para asegurar la calidad de servicio en redes metropolitanas, lo utilizado actualmente es DiffServ (Differentiated Services) sobre MPLS. En el caso de Ethernet se emplea el RFC 3270 y de manera específica el mecanismo E-LSP (EXP-inferred-LSP). La técnica anterior se le conoce así debido a que el PHB (Per-Hop Behavior) del paquete es determinado del valor EXP (Campo Experimental) del encabezado MPLS, debido a esto, cada LSR (Label Switching Router) dentro de la trayectoria utiliza el valor de la etiqueta para determinar el siguiente salto y el campo EXP para determinar el PHB que debe aplicar durante el proceso de envío. La limitación que se tiene al trabajar el campo EXP con respecto a DiffServ radica en su tamaño de 3 bits, con los cuales sólo podemos trabajar 8 PHBs. En el caso de usar solamente DiffServ, se puede trabajar con una totalidad de 64 PHBs gracias a que el campo ToS (Type of Service) es de 6 bits. No obstante esta limitación, en la solución DiffServ-MPLS es posible clasificar los tráficos característicos de una red utili- 14 Rev. INGENIERÍA UC. Vol. 14, N o 2, Agosto 2007

2 Álvarez, Mayoral y Moliner zando los 8 PHBs disponibles [1]. Una propuesta adicional para apoyar el aseguramiento de la calidad de servicio (QoS) son los esquemas MBAC (Measurement-based Admission Control). Tienen como común denominador una baja demanda de trabajo en los enrutadores, a diferencia de los esquemas tradicionales de control de admisión y reserva de recursos como RSVP (ReSerVation Protocol) [2]. Rx0 Rx1 Rx2 Rx3 Rx4 Classifier Shapper Label_Map_QoS Exp_Classifier Scheduler Tx1 Aún con las variantes existentes, no todos los algoritmos pueden asegurar de manera adecuada la calidad de servicio requerida por los flujos de información [3]. Considerando que la familia Ethernet tiene como característica conservar su formato MAC (Media Access Control address) y mantener la misma tecnología hasta 40 kms, es posible implementar un sistema MBAC para adicionar calidad de servicio en redes Ethernet extremo a extremo (e2e) [4]. Conociendo las necesidades de QoS para los servicios de voz y video, las tecnologías de transporte Ethernet y las soluciones de calidad de servicio existentes, se describe un esquema de control de admisión de sesiones basado en la pérdida de paquetes e2e sobre MPLS (ME-ACS). La intención hasta la fecha es proporcionar una solución para ser analizada y simulada en el modelador de redes OPNET con la firme idea de ser utilizada a futuro en la gran mayoría de redes Metropolitanas Ethernet. 2. DESARROLLO DE LA INVESTIGACIÓN La propuesta parte de la idea E-LSP y esta enfocado primordialmente a privilegiar las aplicaciones sensibles al retardo como son la voz y el video. El resto de las aplicaciones serán tratadas como mejor esfuerzo, de tal manera que sólo utilizaremos 3 clases de servicio equivalente a 3 PHB si lo comparamos con E-LSP [5]. Estas clases de servicio (valor del campo ToS) serán relacionadas con las etiquetas MPLS en la etapa del Clasificador Multicampo del LER (Label Edge Router) como se aprecia en la Figura 1. Una vez clasificadas serán dirigidas a una cola PQ (Priority Queuing) de alta prioridad para ser enviadas al siguiente LSR. En la red destino se localizarán las computadoras finales, las cuales se encargarán de recolectar todas las estadísticas de medición. Rx5 Figura 1. Esquema interno del LER MPLS. El esquema de control de admisión basado en pruebas es el mecanismo que se desea integrar para el aseguramiento de calidad de servicio. Su funcionamiento es sencillo y parte de la hipótesis de no requerir ningún esquema de QoS en Redes Metropolitanas Ethernet, ya que éstas cuentan actualmente con la velocidad de 10 Gbps (802.3ae) [6]. Esto puede sugerir ancho de banda suficiente para soportar las aplicaciones sensibles al retardo que deseamos estudiar. Una ventaja importante del 802.3ae es la disminución de la variación del retardo al conservar Ethernet extremo a extremo, fundamentalmente por mantener el mismo formato de trama en todas sus versiones actuales (10 Mbps hasta 10 Gbps). Considerando lo anterior y de acuerdo a los resultados obtenidos por el PhD Ignacio Más en su propuesta PBAC (Probe-based admission control) [2], desarrollamos una solución alternativa para asegurar QoS partiendo de la idea E-LSP y aplicando un esquema de control de admisión por pérdida de paquetes de prueba e2e, esto permitirá asegurar de manera eficiente el rendimiento de las sesiones de voz y video, bloqueando la aceptación de más sesiones que puedan alterar el desempeño de las establecidas. Para lograrlo se realizará en el Modelador de Redes OPNET un paquete de prueba el cual contendrá la siguiente información: Máxima tasa de transmisión Duración de la prueba Identificador de sesión Número de secuencia El esquema de red propuesto se muestra en la Figura 2. Seleccionamos enrutadores con soporte para enlaces Ethernet en el simulador de redes OPNET [7], en ellos fueron modificados los algoritmos originales para adecuar el esquema ME-ACS. Rev. INGENIERÍA UC. Vol. 14, N o 2, Agosto

3 Calidad de servicio en redes Ethernet 3. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS Figura 2. Red a modelar. En los nodos de la subred estadística (Figura 2), se tomará la decisión de aceptación de nuevas sesiones de acuerdo a la siguiente expresión matemática: P (1 P ) P + Z T * n para T * n > 10 me me me R h pr h pr npr donde: P me Z R n pr T h (1) es la probabilidad de aceptación. es (1-R/2) equivalente a un percentil de la distribución normal con nivel de certeza R. es el número de paquetes de prueba enviados. es el nivel de umbral deseado. Con esto obtendremos un rechazo anticipado de acuerdo al número de paquetes esperado (nivel de certeza que se desea), sin sobrepasar la probabilidad de pérdida típica de cada aplicación. Cuando se inicia el periodo de prueba se disparará un cronómetro, el cual será de una duración acorde a la longitud de la prueba más un periodo RTT (Round Trip Time). En los destinos, se recibirán los paquetes que serán evaluados por la Ecuación 1, si el resultado es satisfactorio se enviará un ACK (Acknowledgement) aceptando la nueva sesión. La respuesta viajará por la cola PQ de alta prioridad para minimizar el riesgo de perderlo. Si la máquina recibe el ACK, comenzará inmediatamente a mandar paquetes de datos por la cola PQ de alta prioridad. En caso de no ser aceptada la prueba, espera un tiempo aleatorio para intentarlo de nuevo [8]. Tratándose de redes metropolitanas Ethernet, no se consideraron las soluciones IEEE 802.1D (MAC Bridges) con respecto a sus propuestas 802.1p (Traffic Class Expediting and Dynamic Multicast Filtering) y 802.1Q (Virtual LAN). La primera de ellas es una especificación que permite a los conmutadores de capa 2 contar con la habilidad de priorizar su tráfico en 8 clases diferentes. El 802.1Q es un estándar que define la operación, definición y administración de redes virtuales en una infraestructura basada en conmutadores. En ambos casos no se cuentan con protocolos de control de admisión. La última de las soluciones no consideradas fue el RFC 2814, este es conocido como SBM (Subnet Bandwidth Manager) el cual con el afán de proveer QoS extremo a extremo de Ethernet a cualquier otra tecnología, necesita prácticamente unir 802.1p con RSVP. SBM provee un método para relacionar protocolos de señalización de capa 3 como RSVP en redes tipo IEEE 802. En particular, describe el funcionamiento de nodos y equipos de capa 2 (conmutadores y puentes) que permitan reservar recursos en redes locales. El problema principal de este protocolo de señalización radica en mantener información de todos los recursos de red que hayan sido reservados para todos los diferentes tráficos que lo soliciten, de tal manera que sólo sería útil para redes pequeñas y con pocas posibilidades de expansión [9]. Para la evaluación de la Ecuación 1, se realizaron varias simulaciones en MatLab con la finalidad de contar con los valores óptimos de tamaño, duración e intervalo de confianza para los paquetes de pruebas. En todos los casos consideramos fijo el valor del intervalo de confianza al 95 %, el cual corresponde a un valor Z = de una distribución normal, el valor Z R = 1.96 se obtuvo buscando el percentil correspondiente en las tablas de probabilidad. Las fuentes de tráfico se consideraron con una tasa de transmisión de 100 Kbps con paquetes de 34 Bytes y 64 Bytes. La duración de la prueba se realizó entre uno a diez segundos. Los valores anteriormente descritos se aplicaron para la probabilidad de pérdida de paquetes de voz (10 3 ) y video (10 6 ), los cuales se usarán como T h. Los resultados se pueden observar en la Tabla 1 y en la Tabla Rev. INGENIERÍA UC. Vol. 14, N o 2, Agosto 2007

4 Álvarez, Mayoral y Moliner Tabla 1: Sesiones de voz para l pr = 512 bits T h = segundo 2 segundos 5 segundos 10 segundos P me = x10-5 P me = x10-5 P me = x10-4 P me = x10-4 η pr = 195 η pr = 391 η pr = 977 η pr = 1953 Tabla 2: Sesiones de video para l pr = 512 bits T h =10-6. cada caso, se probaron las soluciones MPLS-DiffServ y ME-ACS. Con la intención de encontrar beneficios del esquema que proponemos, consideramos comparar el retardo en los servicios de voz (Voice Over IP Call (PCM Quality) y video (Video Conferencing (Heavy)). Los resultados obtenidos están en la Figura 3. 1 segundo 2 segundos 5 segundos 10 segundos P me = x10-11 P me = x10 10 P me = 2.568x10 10 P me = x10 10 η pr = 195 η pr = 391 η pr = 977 η pr = 1953 Los valores convenientes que satisfacen la Ecuación 1, son aquellos donde la duración de la prueba es un segundo y una longitud del paquete de 64 bytes. Con estos valores logramos una posible pérdida para voz y video de x10 5 y x10-11 respectivamente. Para estos parámetros seleccionados generaremos un tráfico mínimo de 195 paquetes de prueba capaces de contener toda la información de control necesaria y campos libres para futura experimentación sin afectar de manera significativa el ancho de banda de las sesiones aceptadas. Considerando los resultados expuestos, se desarrolló el esquema ME-ACS en el simulador OPNET con MPLS en la dorsal metropolitana (Figura 2). El esquema se comparó contra la solución DiffServ- MPLS con 100 fuentes de tráfico de voz y video con las características indicadas en la Tabla 3. Tabla 3. Características del tráfico empleado. Se realizaron dos esquemas de simulación considerando enlaces Ethernet a 1 Gbps y 10 Gbps, para Video Conferencing (Heavy) Frame Interarrival Time Information 30 frames/sec Frame Size Information (bytes) 128x250 pixels Type of Service Traffic Mix (%) Sreaming Multimedia All Discrete Voice Over IP Call (PCM Quality) Encoder Scheme G.711 (silence) Type of Service Interactive Voice Traffic Mix (%) All Discrete Compression Delay (seconds) 0.02 Decompression Delay (seconds) 0.02 Figura 3. Retardo con 1Gbps y 10 Gbps. Con periodos de prueba de un segundo y un tamaño de 64 bytes logramos que la propuesta ME- ACS para video tenga un retardo de 62.7 mseg con un enlace a 1 Gbps. Para el caso MPLS-DiffServ, con el mismo tipo de enlace se obtuvieron mseg. Utilizando conexiones 802.3ae tenemos una diferencia de mseg entre el esquema propuesto (70.49 mseg) y MPLS-DiffServ (87.07 mseg). Los valores obtenidos muestran una disminución del retardo para las sesiones de video con el modelo ME-ACS pero ambas soluciones se encuentran aún dentro de los límites de excelente desempeño para las aplicaciones de videoconferencia. Para las sesiones de voz a 1 Gbps y 10 Gbps, ME-ACS presentó una diferencia significativa a favor de mseg para el primer caso. Con enlaces 802.3ae la diferencia es de mseg, siendo mseg el retardo más alto encontrado en MPLS-DiffServ, el cual aún se considera satisfactorio si recordamos que el retardo esperado para una conversación de voz es de 150 mseg [10]. Rev. INGENIERÍA UC. Vol. 14, N o 2, Agosto

5 4. CONCLUSIONES La propuesta aquí expuesta tiene como finalidad asegurar QoS extremo a extremo en redes metropolitanas Ethernet con las características de E-LSP sobre MPLS. Sustituimos E-LSP por un control de admisión simple considerando la probabilidad de aceptación de nuevas sesiones de acuerdo al cálculo de sus paquetes perdidos. Con ello rechazamos el establecimiento de transmisiones de voz y video para evitar una degradación de servicio en las sesiones ya establecidas. Con respecto al comportamiento del resto de las aplicaciones, la capacidad del canal fue divida en dos partes. La primera de ellas asignada a las sesiones aceptadas y para los paquetes de prueba. El resto del canal será para el resto de los servicios de red, resaltando que estos no podrán consumir el ancho de banda asignado a las colas PQ, pero en caso de que el número máximo de sesiones sensibles a retardo no consuman la totalidad de su ancho de banda reservado, este último sí podrá ser utilizado por las demás aplicaciones. Así logramos optimizar al máximo los recursos de ancho de banda disponibles. Los resultados de retardo obtenidos para enlaces de 1 Gbps y 10 Gbps con servicios de voz y video, permiten asegurar los requerimientos de QoS extremo a extremo con valores por abajo de los garantizados por la solución MPLS-DiffServ. No obstante esta mejora, no se puede descartar el uso de esta solución por el esquema ME-ACS. Ambos demostraron rendimiento satisfactorio para cubrir con las necesidades de los servicios multimedia demandados por los nuevos usuarios de redes que desean la convergencia de servicios basados en IP. La solución propuesta logró una disminución significativa en el tiempo de retardo, lo cual podría ser el punto de diferencia para la selección de ME-ACS como un esquema para garantizar QoS e2e. Adicionalmente, la propuesta de Aseguramiento de la Calidad de Servicio en Redes Metropolitanas Ethernet empleado un Control de Admisión Basado en s, contribuye a continuar con la filosofía del Forum de Calidad de Servicio: Leave complexity at the edges and keep the network core simple. Calidad de servicio en redes Ethernet 5. REFERENCIAS [1] Manchini F. and Rochol J. (2003): MPLS Backbones and QoS Enabled Networks Interoperation. Proceedings of IFIP/ACM Latin America Networking Conference. ACM /03/0010, pp [2] Más I, Fodor V., and Karlsson G. (2002). PBAC: Probe - based admision control. In Proc. of RadioVetenskap Kommunikation (RVK 02), Stockholm, Sweden. [3] Más I., Fodor V., and Karlsson G. (2002). Probe based admission control for multicast. In Proceedings of the 10th International Workshop on Quality of Service. [4] Moliner C. and Álvarez O. (2003). 10 Gigabit Ethernet en el Escenario de las redes de Área Amplia. Memoria Electrónica del Séptimo Simposium Internacional de Telemática. [5] Chávez-López, M. (2003). Análisis y Modelado de Mecanismos para la Interoperatividad entre MPLS y DiffServ. Tesis de Maestría en Ciencias, Centro de Investigación Científica y De Educación Superior de Ensenada, Depto. de Electrónica y Telecomunicaciones, Ensenada, B.C. [6] Álvarez O., Alcaraz J.M, Moliner C. and Mayoral M.G. (2003). 10 Gigabit Ethernet, in Mem Congreso Nacional de Sistemas e Informática. San Luís Potosí, México, pp [7] OPNET Technologies, Inc.. (2006). OPNET Strategies for Deploying MPLS. OPNET Tutorial: Modeler/Release [8] Más I., Fodor, V. and Karlsson, G. (2003). The Performance of Endpoint Admission Control Based on Packet Loss. International Workshop on Quality of Future, Internet Services. [9] Koubaa A, Jarraya A. and Song, Y. (2002). SBM protocol for providing real-time QoS in Ethernet LANs. 1st Intl. Workshop on Real- Time LANs in the Internet Age, pp 1-5. [10] Gallon C. (2003). Quality of Service for Next Generation Voice Over IP Networks. Fujitsu Technical Report: MSF-TR-QoS- 001-FINAL, 18 Rev. INGENIERÍA UC. Vol. 14, N o 2, Agosto 2007