Análisis de la Calidad de Servicio por Medio del Modelo Diferencial Gabriel Gerónimo Castillo 1, Everth H. Rocha Trejo 1

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1 Análisis de la Calidad de Servicio por Medio del Modelo Diferencial Gabriel Gerónimo Castillo 1, Everth H. Rocha Trejo 1 1 Instituto de Electrónica y Computación Universidad Tecnológica de la Mixteca Huajuapan de León, Oaxaca, México. Tel. (01) Fax (01) {gcgero, everth}@nuyoo.utm.mx Abstract Este artículo realiza un análisis de la Calidad de Servicio (QoS) desde el punto de vista de los servicios proporcionados por los protocolos de Internet IPv4 e IPv6. Analiza los servicios diferenciales que ofrece IP por medio de los campos de Tipo de Servicio (ToS) y Clase de Trafico (TC) y finaliza mencionando como aplicar QoS en los hosts y los routers. 1. Introducción La Calidad de Servicio (QoS) se puede definir como el conjunto de calidades relacionadas con los servicios que deben percibir los usuarios, donde los usuarios pueden ser humanos o programas de aplicación. Los requerimientos de calidad varían dependiendo de los usuarios y los servicios solicitados. En las redes IP la entrega de los paquetes se puede llevar minutos o eventualmente horas, como es el caso de la obtención de un archivo. Al navegar en la web o al solicitar acceso a una base de datos remota la tolerancia podrá ser de segundos pero no de minutos. En aplicaciones demandantes tales como sesiones de chat o voz y video en tiempo real solo se toleran retardos de fracciones de segundos para satisfacer los requerimientos humanos, y algo también muy importante es el orden de llegada de los paquetes. La QoS se puede aplicar en los hosts y los routers explotando los campos de los encabezados IPv4 e IPv6. En este artículo se analizarán estos campos y la forma en la cual brindan un servicio diferencial. Las secciones de este artículo se encargan de analizar el campo de tipo de servicio de IPv4, los campos de etiqueta de flujo y clase de tráfico de IPv6, se menciona la aplicación de QoS en hosts y routers, y se presentan algunas conclusiones. 2. Protocolo de Internet versión 4 Actualmente se están utilizando dos versiones del protocolo de Internet, la versión 4 (IPv4) llamada comúnmente IP y la versión 6 llamada IPv6. En IPv4 la transmisión de bloques de datos llamados datagramas, tiene un cierto formato de encabezado que contiene en forma generar cuatro puntos clave a considerar para proporcionar un servicio: tipo de servicio, tiempo de vida, opciones y suma de verificación [1]. Los cuatro puntos son importantes, pero el que se analizará por ser el que brinda la calidad de servicio es el campo tipo de servicio. 2.1 Tipo de Servicio El campo Tipo de Servicio en el datagrama IPv4 tiene una longitud de 8 bits, y se encuentra subdividido en 6 subcampos [2], como se muestra en la fig. 1. Los tres bits del subcampo Precedencia especifican la importancia o prioridad del datagrama y los siguientes 4 bits indican el tipo de servicio (ToS) deseado. Los valores de precedencia definidos para IP [3] que pueden aparecer en este subcampo se muestran la tabla I, estos valores permiten indicar al emisor la importancia del datagrama Precedencia D T R Figura 1. Subcampos del campo Tipo de Servicio. C Sin Uso

2 TABLA I. NIVEL DE PRECEDENCIA IP Valor de Nombre descriptivo Precedencia IP 000 Normal o Rutinario 001 Prioritario 010 Inmediato 011 Urgente 100 Muy urgente 101 ECP (Emergency Call Processing) /Critico 110 Control entre redes 111 Control de red Los bits D, T, R y C especifican el tipo de transporte deseado para el datagrama. Hablando sobre estos bits, [4] define solamente tres bits: D, T y R; es decir, del bit 3 al 5 de la fig. 1 e incluye el bit 6 al subcampo de Sin Uso. Las razones por la cual se colocan los cuatro bits: D, T, R y C, se encuentran documentadas en [2] apartado B.2, una de estas razones es la de minimizar el costo monetario en el envío de los datagramas. Cuando el bit D se encuentra activo solicita un procesamiento con mínimo retardo, el bit T solicita un máximo desempeño, el bit R solicita una máxima confiabilidad, y el bit C un mínimo costo monetario. Cuando estos bits se encuentran inactivos se esta especificando un trato normal para el datagrama. Cabe hacer notar que los valores de los bits no pueden ser utilizados simultáneamente, de hecho los algoritmos de ToS eligen el mejor de ellos cuando existe más de un bit activo [5], por lo tanto, la recomendación es utilizar sólo uno de estos bits. Ahora bien, algunos datagramas TCP y UDP necesitan un trato especial (dependiendo de la aplicación), pero qué pasa con los mensajes ICMP? Al tener dos niveles de encapsulado y necesitar de IP para viajar por la red también presentan el campo ToS. Estos mensajes ICMP se pueden clasificar en tres tipos, los mensajes de error, los mensajes de solicitud y los mensajes de réplicas. Los mensajes de error son enviados siempre con el servicio normal, es decir, 0000; los mensajes de solicitud pueden ser enviados con cualquier valor en el ToS, dependiendo de la aplicación que envíe el mensaje, y los mensajes de replicas son enviados con el mismo valor que recibieron en su correspondiente mensaje de solicitud. 3. Protocolo de Internet versión 6 Existen dos principales desventajas de IPv4 sobre el IPv6, una de ellas es la suma de verificación la cual era calculada por cada nodo en el cual pasaba el paquete, ahora IPv6 no realiza esto, dado que los protocolos de nivel alto tienen su propio mecanismo de control de suma de verificación, por lo que no hay que gastar tiempo realizando esta suma. Una segunda desventaja en IPv4 es el procesamiento del campo de opciones en cada router por el que pasa el paquete, ahora en IPv6, los routers solo procesan la información necesaria, dado que esto se encuentra listado en el orden de los encabezados de extensión. Aunque la ventaja más evidente de IPv6 es el espacio de direcciones que crece de 2 32 a 2 128, existen más características importantes que se pueden observar directamente en los campos que desaparecen en el formato de IPv4 (fig. 2, campos en gris), y dan como resultado el formato que se muestra en la fig. 3. Al utilizar este nuevo formato se aprecian las siguientes características: un mayor espacio de direcciones, calidad de servicio (campo Clase de tráfico), clasificación de servicio (campo de Etiqueta de flujo), multicast, anycast, paquetes eficientes y extensibles (Encabezados de extensión), mayor carga útil, enrutamiento eficiente (Encabezado de ruta), entre otras. Lo que se analiza en este artículo es la manera de brindar QoS, así que en las siguientes secciones veremos los campos Clase de tráfico y Etiqueta de flujo Versión HLen Tipo de Servicio Identificación Longitud Total del Datagrama Banderas Desplazamiento del Fragmento Tiempo de Vida Protocolo Suma de Verificación del Encabezado Dirección IP Origen Dirección IP Destino Opciones IP Relleno Figura 2. Encabezado IPv4 que muestra que campos se modifican y cuales desaparecen.

3 Versión Clase de Etiqueta de Flujo Tráfico Longitud de Carga Útil 3.1 QoS en IPv6 Siguiente Encabezado Dirección IP Origen Dirección IP Destino Figura 3. Encabezado IPv6. Límite de Saltos El protocolo de Internet IPv6 proporciona QoS por medio de los campos de Etiqueta de Flujo y Clase de Tráfico. Al introducir el campo de Etiqueta de Flujo, IPv6 tiene la intención de clasificar los paquetes de acuerdo a su destino y a su servicio Etiqueta de flujo Los 20 bits del campo Etiqueta de Flujo puede ser usado por la fuente para etiquetar la secuencia de paquetes para los cuales se requiere un trato especial por los routers IPv6, tales como un servicio de calidad diferente de la normal o algún servicio de tiempo real. La naturaleza de este trato especial debe ser cubierta por los routers por medio de un protocolo de control, tal como el Protocolo de Reservación de Fuente (RSVP-RFC 2205), o por la misma información de la etiqueta de los paquetes, por ejemplo, la opción Salto-a-Salto. Los hosts y los routers que no realizan un etiquetado de flujo fijan el campo a cero cuando originan un paquete, pasan el campo sin realizar cambios cuando les llega un paquete e ignoran el campo cuando reciben un paquete. La etiqueta de flujo asignada es elegida de forma seudo aleatoria y uniforme en el rango de 1 a FFFFF hexadecimal [6]. De esta manera se pasa de la forma tradicional de las quíntuplas <dirección fuente, dirección destino, puerto fuente, puerto destino, protocolo de transporte> para identificar un flujo a una tripleta <la dirección fuente, la dirección destino, la etiqueta de flujo> haciendo más eficiente el flujo en IPv Clase de Tráfico El campo Clase de Tráfico (TC) de 8 bits es usado por los nodos y/o routers para identificar y distinguir los paquetes enviados con clases diferentes o prioritarias. Los valores que pueden tomar estos bits dependen de los nodos que envían los paquetes, el valor por omisión en este campo es de cero. En el RFC 2460 no se define en forma particular la semántica del byte TC, aplazando esto para colocarlo en el trabajo dentro del área de Servicio Diferencial. De esta forma el Servicio Diferencial involucra el trato de los paquetes por medio del campo ToS de IPv4 y el campo TC de IPv6. 4. Servicio diferencial Uno de los problemas que presenta el ToS es el manejo del tráfico diferencial, solo permite una relativa prioridad, es decir, los paquetes con prioridad 7 son transmitidos antes de los de prioridad 6, y así sucesivamente, de esta manera se esta consumiendo el 50% de los bits de ToS para enrutar con QoS [7]. Estos problemas son evitados por medio de tipos de encolados de paquetes y esquemas de reglas que se pueden indicar con el campo de Servicio Diferencial (los mismos 8 bits de ToS o TC). Los servicios diferenciales son un conjunto de tecnologías por medio de las cuales los proveedores de servicios de red pueden ofrecer distintos niveles de QoS para diferentes clientes y tráfico de información. Conforme el paquete viaja a su destino los routers en su paso lo tratan de diferentes formas, a esto se le conoce como el PHB (Per-Hop Behaviour). Este PHB es indicado en el DSCP (Diffserv Code-Point) dentro del encabezado de cada paquete. Las definiciones del campo ToS de IPv4 y el campo TC de IPv6 es reemplazado por el campo DS (Differentiated Services). Como se muestra en la fig. 4 se utilizan seis bits de este campo como puntos de códigos (DSCP) para seleccionar el PHB de un paquete en cada nodo. Dos bits no son utilizados se reservan para usos futuros y son ignorados por los nodos por donde pasa el paquete. La pregunta que se tiene ahora es: qué valores puede contener el campo DSCP?, y además, estos valores coinciden con los de ToS?, o los nodos a quien le harán caso?. El valor por default de DS es lo cual es compatible para el campo ToS, pero faltan 63 códigos más que se deben de tratar. Estos 64 códigos se

4 dividen en 3 clases, mostradas en la tabla II, donde x puede ser 1 ó 0. Como se puede observar en los valores del Servicio diferencial los primeros bits del código contienen xxx con lo que se garantiza la coexistencia del valor de Precedencia de IPv DSCP- Differentiated services codepoint Sin USO Figura 4. Campo de Servicios Diferenciales. TABLA II. CLASES EN EL CAMPO DSCP Clase Código Política de asignación 1 xxxxx0 Acción estándar 2 xxxx11 Uso local o experimental 3 xxxx01 Uso local o experimental o utilizada como la clase 1 si esta es agotada Los valores de DSCP estándares son de la forma xyzab0, donde xyz pueden ser (para que coincidan con el campo de Precedencia de IPv4) 001, 010, 011 ó 100 y ab es 01, 10 ó 11. Ahora bien, lo que resta es saber como llevar a cabo la QoS en los hosts o routers de la red. Para esto se presenta en la siguiente sección herramientas que permiten realizar QoS en los hosts y los comandos que se necesitan aplicar en un router (Cisco) para brindar servicios diferenciales. 5. Aplicando QoS en hosts y routers En esta sección se habla de los hosts con sistema operativo Linux y de los routers Cisco con IOS El control de tráfico y la QoS en Linux en pocas palabras es limitar el tráfico en una interfaz de red. El control del tráfico en Linux se realiza por medio de clases, estas clases van a depender del tipo de necesidad que se desee. Los paquetes solo necesitan ser clasificados si se quiere diferenciar unos de otros. En Linux la QoS es posible gracias a las herramientas IPROUTE2 y NETFILTER. IPROUTE2 proporciona el comando tc que permite manipular las disciplinas de colas y el uso de filtros para asignarle prioridad al tráfico. Por otro lado, NETFILTER permite el uso de marcado (mark), para indicar en forma sencilla la manera de dar prioridad a los paquetes. La disciplina más usada y por defecto en Linux es pfifo_fast, aquí ningún paquete recibe un tratamiento especial. Esta cola tiene tres bandas o clases con prioridades, la prioridad 0 es de mayor prioridad que 1 y 1 que 2. El kernel toma en cuenta el ToS e inserta los paquetes de mínimo retardo en la banda 0 [8]. En la tabla III se muestran los valores de ToS y las bandas donde se colocan los paquetes. Las disciplinas son un conjunto de algoritmos para indicar a donde van los paquetes, ya sea a un dispositivo o a una clase. Las más comunes en Linux son CBQ (Class Based Queues), PRIO (Priority), SFQ (Stochastic Fairness Queueing) y TBF (Token Bucket Flow), todas configurables con la herramienta tc. Veamos ahora como se implementa QoS en un router. El software de QoS en el IOS del router Cisco soporta tres tipos de modelos de servicio: Servicios de mejor, Servicios Integrados y Servicios Diferenciales [9]. Bajo el modelo de Servicios Diferenciales las redes brindan la entrega de servicios basados en la QoS especificada por cada paquete por medio del DSCP. Para configurar y habilitar características QoS en el router se deben de colocar un conjunto de comandos en línea. Estos comandos son los siguientes: creación de una clase de tráfico (comando class-map), creación de una política de tráfico (comando policymap), aplicar una política de tráfico a una interfaz (comando service-policy), y de forma opcional, verificar la configuración (comando show policymap). TABLA III. VALORES DE ToS Y SUS CORRESPONDIENTES BANDAS ToS (bits 3-6) Significado Prioridad en el kernel de Linux 0000 Servicio normal 0 Mejor Mínimo costo monetario (mcm) 1 Relleno Máxima confiabilidad (mc) 0 Mejor 0011 mcm + mc 0 Mejor Máximo desempeño (md) 2 En masa 2 Banda 1

5 0101 mm + md 2 En masa mc + md 2 En masa mcm + mc + md 2 En masa Mínimo retardo 6 Interactivo 0 (mr) 1001 mcm + mr 6 Interactivo mc + mr 6 Interactivo mcm + mc + mr 6 Interactivo md + mr 4 Int. en masa mcm + md + mr 4 Int. en masa mc + md + mr 4 Int. en masa mcm + mc + md + mr 4 Int. en masa 1 [6] C. Partridge, Using the Flow Label Field in IPv6, RFC 1809, Junio [7] G. Armitage, Quality of service in IP networks, 1a. ed., Ed. MTP, Abril 2000, pp [8] B. Hubert, Enrutamiento avanzado y control de tráfico en Linux, Netherlabs BV, Julio 2003, pp [Online] [9] Corporate Headquarters, Cisco IOS Quality of Service Solutions Configuration Guide, Cisco System, Inc., 2001, pp [Online] /doc/product/software/ios122/122cgcr/fqos_c/qcfbook.pdf Si no se configura la QoS en el router los paquetes son tratados con la clase por default. Esta clase por default no tiene características de QoS habilitadas, así que todos los paquetes se colocan en una cola FIFO y son reenviados por el mismo ancho de banda. 6. Conclusiones Lo que se concluye en este artículo es, si se desea dar prioridad a los paquetes se debe manipular el campo ToS o los campos de Clase de Tráfico y Etiqueta de Flujo por medio de alguna aplicación que se comunique con el kernel del sistema o directamente se debe manipular para asignar dicha prioridad. Los campos de Etiqueta de Flujo, Clase de Tráfico, o el campo de Servicio Diferencial, junto con las disciplinas y clases de calidad de servicio son una importante área de investigación, para encontrar sus ventajas, desventajas o adaptaciones para ser utilizados con los diferentes flujos de información que se pueden enviar en la red. Referencias [1] M. León, Quality of Service of the Internet Protocols, en International Symposium on Advanced Distributed System, ISADS 02, Noviembre [2] P. Almquist, "Type of Service in the Internet Protocol Suite", RFC 1349, Julio [3] W. W. Barns, "Precedence and Priority Access Implementation for Department of Defense Data Networks", Reporte Tecnico MTR-91W00029, The Mitre Corporation, McLean, Virginia, USA, Julio [4] J. Postel, "Internet Protocol", RFC 791, Septiembre [5] J. Reynolds and J. Postel, "Assigned Numbers", RFC 1060, Marzo 1990.