1908 Arquitectura de Redes

Transcripción

1 1908 Arquitectura de Redes Tema 6. Calidad de Servicio e Ingeniería de Tráfico Pedro M. Ruiz <pedrom@um.es> Francisco J. Ros <fjros@um.es> 3º Grado en Ingeniería Informática 2011/2012

2 Organización del tema Introducción Servicios Integrados (IntServ) Servicios Diferenciados (DiffServ) Ingeniería de Tráfico 2

4 Definición de QoS La Calidad de Servicio consiste en ofrecer un servicio de transporte de datagramas predecible a ciertas clases o tipos de tráfico (flujos) independientemente del resto de tráficos (flujos) que circulan por la red Consiste en diferenciar los distintos flujos para que cada uno pueda cumplir los parámetros especificados por sus requisitos Diferenciación <IP origen, IP destino, puerto origen, puerto destino, protocolo> Campo DSCP (IPv4), FlowID (IPv6) Parámetros Ancho de banda sostenido y pico, retardo tolerado, etc. 4

5 Por qué necesitamos QoS? El servicio ofrecido por Internet hoy en día es un servicio muy variable: No ofrece garantías en cuanto a retardos o ancho de banda Depende muy directamente del tráfico generado por otros usuarios No permite priorizar unos tráficos frente a otros Necesitamos Dar soporte a las nuevas aplicaciones con requisitos de tiempo real (telefonía IP, videoconferencia, etc.) Garantizar tiempos de respuesta a otras aplicaciones (comercio electrónico, aplicaciones corporativas, etc.) Ofrecer herramientas que permitan a los ISP ordenar y priorizar los tráficos dentro de sus redes En general, necesitamos mecanismos que nos permitan clasificar los tráficos que atraviesan la red y distribuir los recursos de comunicación entre ellos. 5

6 Qué Necesitamos para Ofrecer QoS en La latencia de encolado puede ser controlada por los mecanismos de QoS Redes IP? La latencia de propagación viene dada por el medio: no se puede cambiar Medidores Clasificador Gestor de colas (prioridades) Conformador de tráfico Σ Control de acceso Gestor de políticas 6

7 Plano de Control de QoS El esquema anterior no nos garantiza QoS extremo a extremo Necesitamos mecanismos de control de la QoS Indicar a la red los requisitos de QoS de las aplicaciones Transmitir dichos parámetros a lo largo del camino para que los routers acondicionen sus medidores, clasificadores, colas, etc. Gestionar los diferentes flujos de la red Modelos de QoS Ingeniería de tráfico IntServ DiffServ Edge to edge Red de acceso Red de acceso Red de ISP Red de ISP IX Red de ISP Red de ISP IX Backbone de Internet End to end Red de ISP Red de ISP Red de acceso End to edge Red de acceso 7

9 Visión General IntServ fue introducido por el IETF en 1994 Sugiere que la arquitectura actual (más algunas extensiones) es suficiente para proporcionar QoS extremo a extremo Reservas estrictas de ancho de banda por flujo RSVP (Resource reservation Protocol), RFC 2205 Soporta unicast y multicast Control de admisión Servicios se dividen en tres categorías. Dentro de cada una, cada flujo se caracteriza por su especificación de tráfico (TSpec). 9

10 Categorías de Servicios Tres categorías Guaranteed Service (Servicio Garantizado): RFC 2212 Ancho de banda y retardo garantizado. Sin pérdidas en las colas. Para tráfico de tiempo real con requisitos estrictos. Controlled Load Service (Servicio de Carga Controlada): RFC 2211 Si no hay carga en la red, servicio similar best effort. Cuando hay carga, asegura que un porcentaje alto de paquetes no incurra en un alto retardo. Un alto porcentaje de paquetes no se perderá en las colas. Para tráfico que necesite un trato mejorado pero tolere cierto nivel de retardo y pérdidas (p.ej. aplicaciones adaptables de tiempo real). Best Effort Service Servicio tradicional. 10

11 Caracterización de Tráfico El tráfico IntServ se caracteriza a través de los parámetros de un token bucket Muchas fuentes de tráfico se pueden definir exactamente como un token bucket Proporciona una definición concisa de la carga impuesta por los flujos Proporciona los parámetros necesarios para una función de policing 11

12 Modelo de Referencia Host y Router HOST ROUTER Proceso de aplicación Agente RSVP Proceso RSVP Control de políticas Routing Control de políticas Control de admisión Control de admisión Clasificador Gestor de colas Clasificador Gestor de colas Flujo de datos Señalización RSVP 12

13 Elementos del Modelo de Referencia Gestión/Reserva de recursos Petición explícita de QoS para un flujo o grupo de flujos Control de Admisión Decisión de aceptar o no la petición de QoS de acuerdo con los recursos disponibles Clasificador de paquetes Asigna cada paquete entrante a una clase de tráfico Planificador de paquetes Asigna recursos de transmisión a cada paquete saliente, basándose en la clase de tráfico del paquete 13

14 RSVP Protocolo genérico de señalización Se usa en IntServ para que los hosts comuniquen sus necesidades de QoS a los elementos de red Soporte unicast y multicast Emisores anuncian en mensajes PATH el TSpec de su flujo Receptores reservan recursos con mensajes RESV Protocolo soft-state Requiere refresco periódico, si no las reservas expiran 14

15 Escalabilidad en IntServ/RSVP Escalabilidad Demasiados flujos! Backbone IP La concentración de tráfico en el núcleo se traduce en un gran número ( millones?) de flujos individuales (sesiones RSVP) por router Señalización: proceso PATH/RESV, manteniendo estados, etc.. Procesando paquetes: clasificación, encolado, planificación, etc... Es necesario soportar QoS extremo a extremo, pero el núcleo no es capaz de procesar flujos individuales Es necesario agregar flujos! 15

17 Motivación La viabilidad de los Servicios Integrados es dudosa Complejidad? Escalabilidad? Implantación rápida? Necesidades de mercado: mecanismos simples que puedan implantarse rápida e incrementalmente para ofrecer diferenciación de servicios Poder vender diversos niveles de buen servicio, aunque no se puedan especificar de manera muy concisa Premisas iniciales del modelo DiffServ: Diferenciación de tráfico sencilla Mecanismos escalables Semántica que interopera a través de distintos dominios administrativos 18

18 Visión General Filosofía más simplista, opuesta a IntServ DiffServ, RFC No hay reservas, hay prioridades. No hay garantías por flujo, se hace un tratamiento diferenciado agregado. Principios básicos Los routers frontera etiquetan los datagramas IP entrantes en función de la política de clasificación del operador. Los routers internos procesan cada paquete en función de dicha marca. Cada valor corresponde a un tratamiento diferenciado (PHB, Per-Hop Behavior). Consecuencias: Procesamiento por flujo en routers frontera: marcado, policing, etc. Flujos agregados dentro de la red: routers internos no guardan estado por flujo (escalabilidad), clasificación más eficiente al depender de un solo campo (marca). 19

19 Filosofía DiffServ Red de acceso Etiquetado en el Border Router Red de acceso Red de ISP Red de ISP Red de ISP Sin estado routers internos IX Red de ISP Control en el router de salida IX Backbone de Internet Red de ISP Red de ISP Acuerdo entre ISPs (SLA) Red de acceso Red de acceso 20

20 Campo DS Cabecera IP DSCP (Differentiated Services CodePoint) RFC 2474 Reemplaza al byte TOS de IPv4 Define la QoS obtenida en la red Class Selector DSCP Especifica un conjunto reducido y bien definido de clases Not used Servicio Class Selector Codepoint Best Effort 000 AF Service Class AF Service Class AF Service Class AF Service Class EF Service 101 Network Control Traffic 11X 21

21 Componentes de un Nodo DiffServ Medidor Clasificador Marcador Shaper/ Dropper El perfil de tráfico proporciona reglas para determinar si un paquete está dentro de este perfil o no. Se puede descibir con un token bucket. Es parte del SLA. El clasificador clasifica los paquetes entrantes según el campo DSCP. Les proporciona un tratamiento diferenciado (prioridad en la cola, política de descarte, etc.). El medidor mide las propiedades temporales del tráfico frente a las del perfil. El marcador establece/remarca el DS field a un determinado DSCP. Lo realizan los routers frontera. El valor DSCP depende del SLA. El shaper retrasa los paquetes para que el sistema cumpla con el perfil de tráfico. El dropper descarta paquetes para que el flujo cumpla el perfil de tráfico. 22

22 PHB Per Hop Behavior Behavior Aggregate (BA) Colección de paquetes con el mismo código DSCP que atraviesan un enlace en la misma dirección. Per-Hop Behavior (PHB) Descripción del tratamiento observable externamente que un nodo le da a un BA. La asignación DSCP PHB no es unívoca, paquetes con distintos DSCPs pueden tener un mismo PHB. PHBs estandarizados EF: Expedited Forwarding (Reenvío Urgente), RFC AF: Assured Forwarding (Reenvío Asegurado), RFC

23 Definiciones de PHBs EF y AF EF Usado para servicios e2e con baja pérdida, latencia, jitter, y con garantía de ancho de banda. Ej: servicio premium, línea dedicada virtual, etc. DSCP recomendado: AF Especifica diversos niveles de garantía de envío de los paquetes 4 clases AF, con asignación de recursos 3 niveles de precedencias de descarte DSCP recomendados: 001PP0 (AF1), 010PP0 (AF2), 011PP0 (AF3), 100PP0 (AF4) 24

24 Dominios DiffServ Dominio DS1 Dominio DS2 Servicio ofrecido (SLA) Nodo frontera (NF) Interconecta dominios entre sí Condicionado de tráfico según SLA Los hosts pueden actuar como NF para sus aplicaciones Nodo interior Aplica PHB a los paquetes según su DSCP 25

26 Definición de Ingeniería de Tráfico Forwarding basado en camino más corto (ej: OSPF) Soporte limitado de multi-path Posible infrautilización de recursos No proporciona distinción de QoS Decisiones tomadas paquete a paquete Soporte limitado de control de congestión Red 2 Red 1 Ingeniería de Tráfico La capacidad de definir rutas dinámicamente, planificando la entrega del tráfico según la demanda y optimizando la utilización de la red. Backbone IP Red 3 27

27 El Problema del Pez Problema: Usuario A Tarifa premium A X Enlaces de alta capacidad Y Backbone del ISP Z El ISP no puede controlar en X que sólo vaya por la ruta de alta capacidad el tráfico dirigido a C desde A y no el de B C Usuario C Usuario B Tarifa normal B V W Enlaces de baja capacidad Solución ATM: Usuario A Tarifa premium Usuario B Tarifa normal A B X PVC A-C PVC B-C Backbone del ISP V Y W Z Al crear diferentes PVCs el ISP puede separar fácilmente el tráfico de A del de B C Usuario C Este es un ejemplo de lo que se denomina Ingeniería de Tráfico 28

28 Control Explícito de Caminos Idea: permitir que flujos que vayan hacia el mismo destino puedan seguir caminos diferentes en función del tráfico, criterios administrativos, etc. Red 2 Red 1 Backbone IP Mecanismos: Opciones IP (strict/loose source routing) Ingeniería de tráfico Red 3 Encaminamiento extendido en función de varios campos IP, no sólo la dirección de destino (policy routing, QoS routing) Túneles IP Multiprotocol Label Switching (MPLS) 29

29 MPLS Introducción Switches ATM retransmiten paquetes más eficientemente que routers IP Esfuerzos para integrar lo mejor de ambas tecnologías Arquitectura MPLS (RFC 3031) Label Switched Routers (LSR) encaminan paquetes según la etiqueta que se les haya asignado. Los flujos se agregan en Forwarding Equivalence Classes (FEC). Cada FEC representa un camino (LSP, Label Switched Path) con unas restricciones de QoS determinadas. Capacidades MPLS Soporte QoS Ingeniería de tráfico Soporte VPN (Virtual Private Network, Red Privada Virtual) Soporte multi-protocolo 30

30 MPLS Arquitectura FECs α - β 5 δ - γ 3 LSPs Label Infomation Base (LIB) α 5 β 4 α 4 β - γ 7 β - Router IP ordinario (no MPLS enabled ) Routers IP ordinarios (no MPLS enabled ) A B α δ X β γ 3 α α β 5 4 V Y β 2 α W 7 β α γ Z β C LSR Frontera de ingreso LIB LIB α 3 β 2 α 2 β 7 LSR Frontera de egreso LSRs Interiores (V, W, Y) 31

31 MPLS Soporte QoS IntServ no es una solución escalable DiffServ no proporciona garantías estrictas de QoS, sólo un tratamiento diferenciado para flujos agregados Redes orientadas a conexión (ATM) proporcionan soluciones más potentes para garantizar la QoS MPLS impone un marco orientado a conexión similar a ATM Más rendimiento al simplificar el proceso de forwarding Escalabilidad debido a la agregación en FECs El algoritmo de reenvío determina la etiqueta de salida y los recursos a utilizar (LSP, gestión de colas, etc.) 32

32 MPLS Ingeniería de Tráfico, Soporte VPN y Multi-protocolo Es difícil retransmitir eficientemente datagramas si implementamos policy routing: decisión basada en dirección IP destino y políticas locales. Problema crítico en enlaces troncales de Internet. ATM resuelve el problema fijando la ruta al crear el CV. MPLS resuelve el problema asociando la ruta (LSP) a la etiqueta correspondiente. La etiqueta representa la FEC del flujo de datos. Soporte VPN Las etiquetas se pueden apilar Equivalente a crear un túnel Soporte multi-protocolo: IP, ATM, Frame Relay, etc. 33

33 Clasificación del Tráfico en FECs Se puede efectuar en base a diferentes criterios, p.ej: Dirección IP origen y/o destino Número de puerto origen y/o destino Campo protocolo de IP (TCP, UDP, ICMP, etc.) Valor del campo DSCP de DiffServ Etiqueta de flujo en IPv6 Esta función sólo se realiza en el router de entrada al dominio MPLS El resto de LSRs sólo tienen en cuenta la etiqueta asignada 34

34 Creación de los LSP Un protocolo IGP intercambia información de enrutamiento y alcance Se usan protocolos de estado de enlace (OSPF, IS-IS), que permiten conocer la ruta completa y por tanto fijar reglas de ingeniería de tráfico. Si una vez fijado el LSP falla algún enlace, se recalcula la ruta. Una vez calculado el LSP para una FEC, hace falta asignarle etiquetas y distribuirlas. Opciones: Configuración estática (equivalente a los PVCs en ATM) Descubrimiento dinámico mediante un protocolo de señalización: LDP: Label Distribution Protocol RSVP-TE: extensión a RSVP para Traffic Engineering Las etiquetas sólo tienen significado local 35

35 Necesidad de Distribuir Etiquetas Asegura que LSRs vecinos tienen una visión coherente de las asociaciones entre FECs y etiquetas Routing Table: Addr-prefix Next Hop /8 LSR2 Routing Table: Addr-prefix Next Hop /8 LSR3 LSR1 LSR2 LSR3 IP Packet Label Information Base: Label-In FEC Label-Out XX /8 17 For /8 use label 17 Label Information Base: Label-In FEC Label-Out /8 XX Paso 3: LSR inserta valor de etiqueta en la LIB Paso 2: LSR informa de la asociación al LSR adjacente Paso 1: LSR crea asociación entre FEC y valor de etiqueta Se puede usar piggybacking sobre un protocolo de routing existente, o un protocolo específico 36

36 Etiquetas MPLS MPLS funciona sobre multitud de tecnologías de nivel de enlace: líneas dedicadas (PPP), LANs, ATM o Frame Relay. En ATM y Frame Relay la etiqueta MPLS ocupa el lugar del campo VPI/VCI o en el DLCI La etiqueta MPLS se coloca delante del paquete de red y detrás de la cabecera de nivel de enlace. Las etiquetas pueden anidarse, formando una pila. Esto permite ir agregando (o segregando) flujos. El mecanismo es escalable. 37

37 Formato Etiqueta MPLS Bits Etiqueta Exp S TTL Etiqueta: Exp: S: TTL: La etiqueta propiamente dicha que identifica una FEC (con significado local). Bits para uso experimental; una propuesta es transmitir en ellos información de DiffServ. Vale 1 para la primera entrada en la pila (la más antigua), cero para el resto. Contador del número de saltos. Este campo reemplaza al TTL de la cabecera IP durante el viaje del datagrama por la red MPLS. 38

38 Situación Etiqueta MPLS PPP (Líneas dedicadas) Cabecera PPP Pila de etiquetas MPLS Cabecera IP Datos Cola PPP LANs (802.2) Cabecera MAC CabeceraL LC Pila de etiquetas MPLS Cabecera IP Datos Cola MAC Campo VPI/VCI ATM Etiqueta MPLS Superior Resto de etiquetas MPLS Cabecera IP Datos Cabecera ATM Campo DLCI Frame Relay Etiqueta MPLS Superior Resto de etiquetas MPLS Cabecera IP Datos Cola Frame Relay Cabecera Frame Relay 39

39 Tratamiento del Campo TTL Al entrar un paquete en la red MPLS, el router de ingreso inicializa el TTL de la etiqueta al mismo valor que tiene en ese momento la cabecera IP. Durante el viaje del paquete por la red MPLS el campo TTL de la etiqueta disminuye en uno por cada salto. El de la cabecera IP no se modifica. A la salida, el router de egreso coloca en la cabecera IP el valor del TTL que tenía la etiqueta, menos uno. Si en algún momento el TTL vale 0 el paquete es descartado. Si hay etiquetas apiladas solo cambia el TTL de la etiqueta situada más arriba. Cuando se añade una etiqueta hereda el valor de la anterior en la pila, cuando se quita pasa su valor (menos uno) a la que tenía debajo. 40

40 Apilamiento de Etiquetas MPLS IP (17) IP (17) Paquete IP (TTL) U Red MPLS ISP A 4 (16) V LSR de Ingreso 2º nivel LSR de Egreso 2º nivel 2 (15) Etiqueta (TTL) de 1 er nivel 7 (14) Etiqueta (TTL) de 2º nivel LSR de Ingreso 1 er nivel LSR Interior 1 er nivel 2 (15) Los routers U y Z han constituido un LSP con dos LSR interiores, V e Y. Para el ISP B parece como si V e Y fueran routers IP ordinarios (no MPLS enabled ). W 7 (14) 2 (15) Red MPLS ISP B X 2 (13) Y LSR Interior 1 er nivel LSR de Egreso 1 er nivel Red MPLS ISP C 8 (12) Los routers V e Y están enlazados por un LSP que ha creado el ISP B. V e Y no ven las etiquetas rojas que manejan W y X. En cierto modo es como si entre V e Y se hubiera hecho un túnel que atravesara W y X. Z IP (11) 41

41 Resumen Aplicaciones de MPLS Redes de alto rendimiento: las decisiones de encaminamiento que han de tomar los routers MPLS en base a la LIB son mucho más sencillas y rápidas que las que toma un router IP ordinario (la LIB es mucho más pequeña que una tabla de rutas normal). La anidación de etiquetas permite agregar flujos con mucha facilidad, por lo que el mecanismo es escalable. Ingeniería de Tráfico: se conoce con este nombre la planificación de rutas en una red en base a previsiones y estimaciones a largo plazo con el fin de optimizar los recursos y reducir congestión. QoS: es posible asignar a un cliente o a un tipo de tráfico una FEC a la que se asocie un LSP que discurra por enlaces con bajo nivel de carga. VPN: la posibilidad de crear y anidar LSPs da gran versatilidad a MPLS y hace muy sencilla la creación de VPNs. Soporte multiprotocolo: los LSPs son válidos para múltiples protocolos, ya que el forwarding de los paquetes se realiza en base a la etiqueta MPLS estándar, no a la cabecera de nivel de red. 42

42 Bibliografía Básica Stallings, High Speed Networks and Internets, Cap. 17 y 18. Z. Wang. Internet QoS: Architectures and Mechanisms for Quality of Service, The Morgan Kaufmann Series in Networking, 2001, cap. 4 y 5 43

43 Bibliografía Complementaria Grenville Armitage, Quality of Service in IP Networks, McMillan Technical Publishing, 2000, capítulos 4 y 5. X. Xiao, L.M. Li, Internet QoS: the Big Picture, IEEE Network, vol. 13, no. 2,pp. 1-13, March 1999 B. Davie, Y. Rekhter, MPLS Technology and Applications, Morgan Kaufmann,2000. RFC 3031: MPLS Architecture RFC 3032: MPLS Label Stack Encoding 44