ARQUITECTURA DE REDES DE COMUNICACIONES ÍNDICE TEMÁTICO

Transcripción

1 ARQUITECTURA DE REDES DE COMUNICACIONES ÍNDICE TEMÁTICO I. ARQUITECTURA TCP/IP 1. Protocolo IPv6 (ICMPv6) 2. IP móvil en IPv4 e IPv6 3.Transición de IPv4 a IPv6 4. Encaminamiento dinámico de unidifusión y MPLS 5. Multidifusión IP 6. Encaminamiento dinámico de multidifusión 7. TCP: Servicios opcionales (confirmación selectiva o SACK) y control de la congestión UDP: Servicio no orientado a conexión para transmisiones multimedia en tiempo real 8. Parámetros de calidad de servicio, modelos de calidad de servicio y servicios en tiempo real en Internet (RTP, VoIP y ToIP) II. SERVICIOS Y TECNOLOGÍAS DE SEGURIDAD EN INTERNET 1. Amenazas, servicios y mecanismos de seguridad 2. Seguridad Web y correo electrónico 3. Protección de las comunicaciones: Intranets y Redes privadas virtuales 1

2 Arquitectura de Redes de Comunicaciones Documentación: Tema I, Capítulo 8 material TRANSPARENCIAS PROBLEMAS TCP/IP Tutorial and Technical Overview, Lydia Parziale, David T. Britt, 8ª edición (Diciembre 2006). Redbooks: Libro descargable desde Internet).Los RFCs que se indiquen 2

3 LA PROBLEMÁTICA DE LA CALIDAD DE SERVICIO EN INTERNET Problema: Internet es una red de computadoras TCP/IP que basa su funcionamiento en la tecnología de conmutación de paquetes mediante un servicio de encaminamiento no orientado a conexión o no fiable y, ademas: IP, por omisión, NO garantiza calidad de servicio o QoS (Quality of Service) a los distintos flujos de paquetes IP, por omisión, sólo proporciona un servicio best-effort o de mejor entrega posible o hago lo que puedo Es decir, IP hace lo que puede para encaminar cada paquete desde un origen a un destino tan rápidamente como sea posible: primero que llega, primero que sale Actualmente, sólo los operadores garantizan a sus clientes una QoS, previamente contratada, en los routers de sus redes IP 3

4 Servicio IP de Mejor Entrega Posible o Hago lo que Puedo o Servicio Best Effort La mayoría de los routers en Internet disponen de la tradicional cola FIFO (First-In-First-Out) para cada línea de salida LO PRIMERO QUE ENTRA ES LO PRIMERO QUE SALE ENCAMINADO SIN NINGÚN TIPO DE GARANTÍAS DE QoS (CALIDAD DE SERVICIO) Se descartan o se pierden paquetes IP cuando se desborda la capacidad de almacenamiento de los buffers asociados a las distintas colas de salida Es el servicio IP más simple, y por omisión, pero no el ideal Línea 1 Línea 2 La mayoría de los routers en Internet disponen de la tradicional cola FIFO COLA FIFO Línea salida Línea n 4

5 Calidad de Servicio (QoS) en Internet Actualmente, la congestión y la falta de QoS es el principal problema de Internet IP fue diseñado para dar, por omisión, un servicio best effort Sin embargo, hoy en día, se utiliza para aplicaciones interactivas en tiempo real o sensibles a las redes con congestión y a la falta de QoS Audioconferencias, videoconferencias, VoIP (Voice Over IP), etc. Estas aplicaciones no pueden funcionar en una red best effort congestionada. Se han hecho modificaciones en IP para que pueda ofrecer QoS a las aplicaciones 5

6 Concepto de Flujo Un flujo es un conjunto de paquetes procedentes de una misma fuente (cámara, micrófono, teléfono, etc.) que siguen una misma ruta por Internet y requieren una misma QoS Un flujo es unidireccional (simplex) 6

7 4 Flujos en una Videoconferencia Por ejemplo, una videoconferencia estaría formada por cuatro flujos, audio y vídeo de ida, audio y vídeo de vuelta A B Flujo vídeo A->B: :2056 -> :4065 Flujo audio A->B: :3567 -> :2843 Flujo vídeo B->A: :1734 -> :6846 Flujo audio B->A: :2492 -> :5387 Los flujos se agrupan en clases de tráficos de paquetes o clases de servicios y cada flujo debe recibir siempre la misma QoS 7

8 Identificación de Flujos Un flujo se identifica por los cinco parámetros siguientes: Dirección IP de origen Número de Puerto de origen Dirección IP de destino Número de Puerto de destino Protocolo de transporte utilizado (TCP o UDP) Los flujos pueden agruparse en clases Todos los flujos dentro de una misma clase de tráfico de paquetes (vídeo, audio, etc.) o clase de servicio reciben la misma QoS 8

9 4 Parámetros de Calidad de Servicio Parámetro Unidades Significado Caudal bps Capacidad de cada enlace de la red ofrecida a cada flujo LATENCIA (LATENCY) o RETARDO (DELAY) JITTER TASA DE PÉRDIDAS (LOSS RATE) ms ms % Tiempo requerido por el paquete de un flujo para atravesar una red Variación de la latencia entre paquetes secuenciales de un mismo flujo Proporción de paquetes perdidos respecto de los enviados en un determinado flujo 9

10 Parámetro de Calidad de Servicio CAUDAL Caudal: Capacidad de cada enlace de la red ofrecida a cada flujo Los flujos de las aplicaciones requieren un mínimo de capacidad en cada uno de los enlaces IP IP IP IP 1 Gbps 100 Mbps 10 Gbps 1 Gbps Caudal crítico = min (10 Gbps, 1 Gbps, 100 Mbps, 1 Gbps) = 100 Mbps Menor caudal ofrecido en un enlace de la red Caudal mínimo o crítico en una red: Parámetro QoS significativo Caudal de un flujo = capacidad del enlace/número de flujos Enlace = 1 o más flujos 10

11 Parámetro de Calidad de Servicio LATENCIA LATENCIA o RETARDO EN UNA RED es el tiempo de tránsito extremo a extremo del paquete de un flujo, esdecir,eltiempo requerido por el paquete de un flujo para atravesar los diferentes enlaces de una red Un retardo extremo a extremo de entrega de cada paquete es una acumulación de los retardos o tiempos de propagación, transmisión, proceso y espera(en la correspondiente cola del interfaz de salida de un router) en cada uno de los enlaces en el trayecto origen y destino Retardo de Propagación: Fijo en función de la Longitud del enlace/velocidad de propagación del medio Aire = Kms/seg (3,33 µseg/km); cable = Kms/seg (5 µseg/km) Retardo de Transmisión: Variable en función de la Longitud de la trama/capacidad del enlace Retardo de Proceso: Despreciable en función del tiempo que tarda el router en procesar un paquete y colocarlo en la cola del interfaz de salida Retardo de Espera en Cola (JITTER): Variable (y el más importante) en función del tiempo de espera o estancia en la cola del interfaz de salida 11

12 NUNCA DEBE SUPERARSE el Retardo Máximo de Tránsito Extremo a Extremo de un Flujo IP IP IP IP T1 +P1 T2 +P2 T3 + P3 Q2 Retardo = T1 +P1 +Q1 +T2 +P2+ Q2 + T3 +P3 + Q3 + T4 +P4 = n ms P: Retardo de propagación T: Retardo de transmisión Q: Retardo de proceso y ESPERA EN COLA DE SALIDA (Jitter): La acumulación de los diferentes tiempos implicados, especialmente, el jitter es IMPREDECIBLE en Internet o en redes IP con servicio hago lo que puedo LIMITADO o PREDECIBLE en las redes IP de los operadores con QoS para determinados flujos LATENCIA MÁXIMA o RETARDO MÁXIMO: Parámetro QoS significativo Q3 Q4 T4 + P4 12

13 Parámetro de Calidad de Servicio LATENCIA Hay aplicaciones que admiten más o menos latencia Una persona navegando por Internet, esperando a que se descargue una página web, o descargando un fichero puede asumir cierta cantidad de tiempo de espera. Esto no es así, por ejemplo, para el tráfico de voz (VoIP) El tráfico de voz es un servicio interactivo entiemporeal,sensiblealalatencia, al jitter y a las congestiones En un contexto de telefonía, la latencia es el tiempo requerido por una señal generada en la boca del llamante hasta alcanzar el oído del destinatario En VoIP nunca debe superarse un determinado retardo máximo para los paquetes de un flujo de voz Retardos (entre paquetes) menores de 150 mseg: Ideales al no ser percibidos por el ser humano Retardos (entre paquetes) entre 150 y 400 mseg: Aceptables pero no ideales Retardos (entre paquetes) por encima de 400 mseg: Inaceptables ya que impiden la interactividad en conversaciones de voz 13

14 Parámetro de Calidad de Servicio JITTER JITTER o variación o fluctuación de la latencia o latencia variable entre paquetes (interpacket delay) es la diferencia de tiempo extremo a extremo en la red entre paquetes secuenciales de un mismo flujo Por ejemplo, si un paquete requiere 100 ms en atravesar la red desde el extremo emisor al extremo receptor y el siguiente paquete requiere, a su vez, 125 ms para realizar el mismo viaje, el jitter será de 25 ms Esto es muy importante por ejemplo en VoIP ya que los paquetes no llegan ni en el orden ni en un tiempo constante, por lo que hay que esperar a que lleguen todos para poder reproducirlos en su orden El control del jitter de cada paquete lo lleva a cabo el extremo receptor mediante un BUFFER DE REPRODUCCIÓN en donde se almacenan los paquetes previamente y durante un tiempo de espera (timestamp) antes de ser reproducidos 14

15 Parámetro de Calidad de Servicio JITTER (continuación) El JITTER se ocasiona, principalmente, por los tiempos de espera o estancia variables en cola o retardos variables o tiempos de estancia diferentes de los paquetes de un mismo flujo en las diferentes colas de salida de los routers, provocando una pérdida de sincronismo en el receptor ya que es imposible procesar los paquetes en recepción con la misma cadencia de salida del emisor Junto con la latencia es un parámetro muy crítico en servicios de comunicaciones interactivos en tiempo real Variación alta = Calidad desigual del sonido o la imagen Aplicaciones interactivas en tiempo real tienen requerimientos estrictos de latencia y jitter JITTER MÍNIMO: Parámetro QoS significativo 15

16 JITTER se ocasiona por los Tiempos de Espera Variables en Cola de Salida de los Routers Proceso Caudal IP IP IP IP Retardo de proceso Espera en cola (JITTER) Tiempo de transmisión Variación alta = Calidad desigual del sonido o la imagen Aplicaciones interactivas en tiempo real tienen requerimientos estrictos de latencia y jitter JITTER MÍNIMO: Parámetro QoS significativo 16

17 Problemática de la LATENCIA y JITTER en VoIP en Internet Mientras hablamos, durante una conversación interactiva, atravésdeuna aplicación de voz sobre IP, el típico CODEC G.711 de la tarjeta de sonido de nuestra computadora (o el típico CODEC G.711 de nuestro teléfono IP) genera una tasa típica de 8000 octetos/seg o bits/seg (8000 muestras/seg x 1 octeto/muestra) El proceso emisor va agrupando los octetos/seg cada 20 mseg de conversación, obteniendo paquetes o trozos de voz de 160 octetos Nº de octetos por paquete de voz = 20 mseg x 8000 octetos/seg =160 octetos Al trozo o paquete de voz o carga útil de 160 octetos, se le añaden cabeceras RTP, UDP,IPyEthernety el resultado se transmite por la red de acceso a un ritmo de un paquete de voz cada 20 mseg Si hay un retardo constante de 20 mseg por Internet, durante la conversación (condiciones ideales), los paquetes llegan al receptor de una forma periódica cada 20 mseg y se escucha al mismo tiempo que se habla con un máximo de interactividad en la conversación de voz El receptor (CODEC PCM de la tarjeta de sonido) reproduce en función de un tiempo de reloj (igual que el del emisor) cada paquete tan pronto como llega Por desgracia : Algunos paquetes se perderán en algún router, otros llegarán desordenados y, además, la mayoría de los paquetes no tendrán un mismo retardo extremo o extremo por Internet (incluyendo diferentes jitters o variaciones, incluso con una Internet muy poco congestionada ) 17

18 Problemática de la LATENCIA y JITTER en VoIP El ritmo de transmisión de un emisor no coincide con el ritmo de transmisión por la red debido a la latencia y jitter de ésta Emisor bla, bla, bla, bla Red Receptor? A B C Buffer de reproducción para el control del jitter Emisor Transmite t 20 ms A B C 20 ms 90 ms Receptor Recibe t Red vacía Congestión LATENCIA EN LA RED: 60 ms + 30 ms (jitter) 18

19 Ubicación del CODEC en una Tarjeta de Sonido PCI/PCI Express RECORDATORIO ADC (Analog to Digital Converter): CHIP O CONVERSOR ANALÓGICO A DIGITAL que realiza la MODULACIÓN DIGITAL, es decir, el proceso de conversión de una señal analógica en su equivalente digital Salvo salida S/PDIF GRABACIÓN O DIGITALIZACIÓN Express SECUENCIADOR MIDI Cualquier dispositivo o reproductor analógico frontales Altavoces traseros y laterales 19

20 3 Fases en el Proceso de Digitalización de la Voz mediante un CODEC G.711 RECORDATORIO La digitalización de la señal analógica o ADC consta de tres fases: Muestreo, Cuantificación y Codificación Como resultado se obtiene una secuencia de valores binarios que representan el nivel de tensión en un momento concreto 20

21 Proceso de Muestreo en la Digitalización de la Voz mediante un CODEC G.711 RECORDATORIO La digitalización de la señal analógica de entrada o ADC o conversión analógicadigital o conversión A/D consta de tres fases: Muestreo, Cuantificación y Codificación 1. MUESTREO de la tensión o voltaje de la Corriente Alterna (CA) o señal eléctrica de entrada (continuación) V i o tensión Mientras hablamos, durante una conversación interactiva, a través de una aplicación de voz sobre IP, la tarjeta de sonido (CODEC PCM G.711) de nuestra computadora (o el CODEC PCM G.711 de nuestro teléfono IP) genera una tasa típica de 8000 octetos/seg o bits/seg (8000 muestras/seg x 1 octeto/muestra) FRECUENCIA DE MUESTREO = 8KHz= Hz = muestras/seg En cada segundo se toman muestras de voltaje RESOLUCIÓN = 8 bits/muestra = 1 octeto/muestra Velocidad (o tasa) de transferencia = muestras/seg x 8 bits/muestra = bits/seg Velocidad de transferencia = muestras/seg x 1 octeto/muestra = octetos/seg 21

22 Procesos de Cuantificación y Codificación en la Digitalización de la Voz mediante un CODEC PCM G.711 RECORDATORIO 2. y 3.CUANTIFICACIÓN del voltaje y CODIFICACIÓN en binario de dicho voltaje Resolución = 8 bits/muestra = 1 octeto/muestra A mayor resolución, se puede diferenciar un mayor número de niveles o muestras de voltaje (con 8 bits/muestra, 2 8 = 256 niveles de voltaje diferentes) Por ejemplo, con 3 bits/muestra, menor resolución, 2 3 = 8 niveles de voltaje diferentes 6,5 Vi < 7,5 = 111 5,5 Vi < 6,5 = 110 4,5 Vi < 5,5 = 101 3,5 Vi < 4,5 = 100 2,5 Vi < 3,5 = 011 1,5 Vi < 2,5 = 010 0,5 Vi < 1,5 = 001 Vi < 0,5 voltios =

23 Codificación de la Voz RECORDATORIO de los diferentes CODECS Señal de voz analógica. Esta señal se convierte en una señal digital mediante PCM La mayoría de los Codec comprimen la corriente PCM PCM G.711 genera bits/seg G.729a genera bits/seg (1000 muestras/seg x 8 bits/muestra = 8000 bits/seg 10 mseg de voz x 8000 bits/muestra = 10 bytes) G.726 genera 6,3; 5,3 Kbit/seg Se construyen las unidades de datos a partir de la salida del codec

24 Tasa de pérdidas: Proporción de paquetes perdidos (en los routers) respecto de los enviados en un determinado flujo y que no llegan al destino por desborde del buffer de la cola de salida del router y en menor medida por errores físicos en las tramas (CRC Ethernet) y cabeceras de los paquetes IPv4 (checksum) IP no es un protocolo fiable, lo cual significa que en determinadas circunstancias los paquetes de datos pueden ser descartados (perdidos) por la red, generalmente, cuando la red está especialmente congestionada. La pérdida de múltiples paquetes de un flujo de voz puede causar un ruido que puede llegar a ser molesto para el usuario. Pérdidas de paquetes en los routers: Vía TCP son recuperables, pero las retransmisiones y controles TCP son inaceptables para aplicaciones interactivas en tiempo real al incrementar el retardo extremo a extremo. Además, el control de congestión TCP reduce la tasa de envío (troughput) en el emisor Por ejemplo, para mantener una calidad de la voz, los paquetes perdidos no deberían de exceder, del 1% de todos los paquetes enviados TASA DE PÉRDIDAS MÍNIMA: Parámetro QoS significativo Parámetro de Calidad de Servicio TASA DE PÉRDIDAS 24

25 Las Pérdidas se suelen ocasionar en los Routers La congestión en Internet es la pérdida de 1 o más paquetes IP debido al desborde del buffer de la cola del interfaz de salida de un router cuando las tasas de entrada superan las capacidades de salida enlaces de entrada Proceso Caudal IP IP IP IP IP enlaces de entrada buffer de la cola del interfaz de salida enlace de salida Descarte del último CONGESTIONES O PERDIDAS DE PAQUETES IP EN UN ROUTER DE ACCESO, ESPECIALMENTE CRÍTICO EN ENLACES DE ENTRADA DE ALTA CAPACIDAD Y ENLACES DE SALIDA DE MENOR CAPACIDAD 25

26 Calidad de Servicio en Internet Salvo por las redes IP de los operadores con los que se contratado previamente una QoS, NO SE ASEGURA que un determinado flujo de paquetes en Internet vaya siempre por las rutas de MÁXIMO CAUDAL, MENOR LATENCIA y JITTER y MENOR NÚMERO DE PÉRDIDAS Actualmente, lacongestión y falta de QoS es el principal problema de Internet 26

27 Oferta de Calidad de Servicio (QoS) Actualmente, sólo los operadores garantizan QoS a sus clientes, y previamente contratada, en los routers de sus redes IP Un operador ofrece QoS en su red IP cuando garantiza un valor límite (máximo o mínimo) de alguno de los parámetros de QoS Si el operador no se compromete en ningún parámetro se dice que ofrece un servicio best effort o por omisión El contrato, que especifica los valores acordados entre el proveedor y el usuario (cliente), se denomina SLA (Service Level Agreement). Por ejemplo: Caudal 2 Mbps Retardo 80 ms Jitter 30 ms Tasa de pérdidas 0,01 % Al QoS, el operador añade una PRIORIDAD DE TRATAMIENTO en función del código DSCP y el algoritmo de gestión de colas del router, haciendo que, por ejemplo, los paquetes de voz tengan máxima prioridad por las correspondientes colas de salida 27

28 Clave en la Congestión y Calidad de Servicio Con un buen CAUDAL en los enlaces se resuelven casi todos los problemas Sería muy fácil dar QoS si las redes nunca se congestionaran Para ello, habría que sobredimensionar todos los enlaces, lo cual no siempre es posible Para dar QoS con congestión es preciso tener mecanismos que permitan dar un trato distinto al tráfico preferente y cumplir el SLA (Service Level Agreement) Un SLA es un contrato entre el operador de la red y un cliente para definir aspectos específicos del servicio (valor límite mínimo o máximo de alguno de los parámetros) que se va a proporcionar 28

29 Categorías de Aplicaciones (I) Tiempo real Interactivas Audioconferencias Videoconferencias VoIP Necesidad de garantizar Retardo máximo Caudal mínimo El jitter de cada paquete lo debe corregir el receptor No interactivas Streaming de audio y vídeo Es muy útil garantizar el retardo máximo Tolerantes al retardo medio 29

30 Categorías de Aplicaciones (II) Elásticas (funcionan con prestaciones variables de red) Interactivas HTTP, FTP, Telnet Sensibles al retardo medio No interactivas News No importa el retardo 30

31 Requerimientos de QoS para las Aplicaciones Tipo de aplicación CAUDAL LATENCIA Jitter Tasa de Pérdidas Elástica interactiva (HTTP, FTP, etc.) No interactivo ( ) Bajo Bajo Medio Media 1 Alto Alto Alto Alta 1 VoIP Bajo Bajo Bajo Baja Vídeo interactivo Alto Bajo Bajo Baja Vídeo unidireccional (streaming) Alto Medio Bajo Baja 1 En realidad la aplicación requiere pérdida nula, pero esto lo garantiza el protocolo de transporte TCP 31

32 Voz Requisitos Aproximados de QoS por Categorías de Aplicaciones No más de 150 ms de retardo No más de 20 ms de jitter Nomásde1%detasadeerrores Video No más de 400 ms de retardo No más de 30 ms de jitter Nomásde3%detasadeerror Datos Variables en función del tipo de aplicación, pero menos exigentes que los anteriores Deben se clasificadas en diferentes clases en función de dichos requisitos 32

33 Routers con Algoritmos de Gestión de Colas El tratamiento de paquetes IP dentro de un router depende de su configuración interna y en función de ésta dispondrá de más o menos funcionalidad La mayoría de los routers en Internet disponen de una configuración mínima o, por omisión, para el funcionamiento de la tradicional cola FIFO, la cual no permite: Diferenciar servicios mediante DSCP (Modelo de Servicios Diferenciados) Aplicar ALGORITMOS DE GESTIÓN DE COLAS RFC-2309: Recommendations on Queue Management and Congestion Avoidance in the Internet 33

34 Routers con Algoritmos de Gestión de Colas Umbral máximo Promedio de ocupación Umbral mínimo Algoritmo de Gestión del la Cola Uso de un algoritmo en router para detectar el principio de congestión Descarta/marca datagramas (antes de que la cola esté llena) Objetivos de diseño: Dar prioridad a los paquetes de salida Minimizar el jitter Minimizar la pérdida de paquetes Mantener alta la utilización de los enlaces Minimizar la congestión en la red 34

35 Routers con Algoritmos de Gestión de Colas El código QoS del paquete (DSCP en el modelo de Servicios Diferenciados) lo usa el router para seleccionar la cola responsable para el encaminamiento del paquete, descartando los que superan el umbral de ocupación del buffer Cola 7 (Más alta prioridad) Cada cola almacenará, al menos, los paquetes que le corresponden, y si hay caudal libre en el enlace de salida, almacenará más paquetes (10%) Cola 6 Cola 5 Cola 4 Cola 3 Cola 2 Cola 1 (10%) (60%) (20%) (30%) (40%) (50%) Algoritmo de encolamiento Cola 0 (Más baja prioridad) (60%) 35

36 Elementos de Control del Tráfico en un Router CONTROL DE ADMISIÓN ENTRADA DE PAQUETES IP CLASIFICADOR PLANIFICADOR SALIDA DE DATAGRAMAS Dar prioridad a los paquetes de salida Minimizar la pérdida de paquetes Minimizar el retardo (latencia y jitter) Mantener alta la utilización de los enlaces Minimizar la congestión en la red 36

37 Modelos de QoS para IP Modelo ATM Tiende a desaparecer ante los modelos actuales (Modelo de Servicios Diferenciados) basados en la conmutación MPLS sobre tecnología GigaEthernet MODELOS ACTUALES del IAB/IETF Modelo de Servicios Integrados (1994) Fracasó y desapareció como modelo QoS Actualmente, su protocolo RSVP se usa en Ingeniería de Tráfico como alternativa a LDP para la distribución de etiquetas, pero no para reservar recursos Modelo de Servicios Diferenciados (1998) Modelo de QoS actual en las redes IP de los operadores para proporcionar parámetros o recursos de calidad de servicio 37

38 Qos (Quality of Service) en IP: Modelo de Servicios Integrados (IntServ: Integrated Services) Documentos RFC del 2205 al 2210 Modelo complejo que fracasó y se basaba en reservar previamente recursos (caudal mínimo y retardo máximo) en la red para cada flujo Incorporaba señalización en redes IP (mensajes RSVP encapsulados directamente en IP vía id. 89): Protocolo RSVP (ReSerVation Protocol): Señalizaba previamente la reserva de recursos para un determinado flujo por las mejores rutas Cada router tenía que mantener toda la información de estado sobre cada flujo que pasara por él Algunos flujos requerían más recursos que otros Diseñado, principalmente, para tráfico multicast Las tablas IP configuradas previamente, antes del envío de mensajes RSVP, mediante un IGP de unidifusión (RIP, OSPF) o multidifusión (PIM-DM, MOSPF, PIM-SM) No era escalable en los routers de tránsito cuando había muchos flujos Además, en muchas aplicaciones de multidifusión, los miembros de grupos podían cambiar su pertenencia de forma dinámica de un grupo a otro Los fabricantes de routers no desarrollaron implementaciones eficientes de RSVP, debido al elevado costo que tenía implementar en hardware los algoritmos necesarios para mantener gran cantidad de información de estado 38

39 Problemas de Escalabilidad de RSVP RSVP generó una euforia inicial ( ) que luego dio paso a la decepción La razón principal fueron problemas de escalabilidad debidos a la necesidad de mantener información de estado en cada router RSVP es inviable en grandes redes, por ejemplo en el núcleo (core) de Internet o en la red IP de un operador Estos routers han de mantener información sobre muchos flujos y por tanto mucha información de estado Núcleo de Internet 39

40 Qos (Quality of Service) en IP: Modelo de Servicios Diferenciados (DiffServ: Differentiated Services) RFC-2474 y RFC-2475 Nació para solventar los problemas asociados al modelo de Servicios Integrados mediante un modelo más simple de QoS A efectos prácticos se usa DiffServ No requiere una configuración avanzada, ni reserva previa de recursos ni almacenar la información de estado de cada flujo en cada router (Servicios Integrados) Calidad de servicio basada en la clase del servicio mediante una codificación (DSCP: Differenciated Service Code Point) de 6 bits que es la misma tanto para IPv4 e IPv6 40

41 Qos (Quality of Service) en IP: Modelo de Servicios Diferenciados (DiffServ: Differentiated Services) Típico modelo para un grupo de routers que forman el dominio administrativo de encaminamiento de la red IP de un operador La administración define un conjunto de clases de servicio con una determinada codificación DSCP El router ENCAMINA por la dirección de destino del paquete en función de su tabla IP, OFRECIENDO los recursos (caudal, latencia, jitter y tasa de pérdidas) indicados por la clase de servicio 41

42 Qos en IPv4: Modelo de Servicios Diferenciados Los 6 bits de mayor orden del campo ToS de la cabecera IPv4 se usan para el modelo de Servicios Diferenciados CABECER A VERSIÓN Longitud Cabecera IDENTIFICADOR TIEMPO DE VIDA (TTL) TIPO DE SERVICIO 000 D T R 00 PROTOCOLO 0 D F LONGITUD TOTAL M F DIRECCIÓN ORIGEN DESPLAZAMIENTO SUMA DE COMPROBACIÓN (CABECERA) DIRECCIÓN DESTINO OPCIONES RELLENO DATOS 42

43 Qos en IPv4: Modelo de Servicios Diferenciados VERSIÓN Longitud Cabecera Differentiated Services Code Point DSCP 0 0 Punto de Código de Servicios Diferenciados Notificación Explícita de Congestión (ECN) 16 LONGITUD TOTAL CABECER A IDENTIFICADOR TIEMPO DE VIDA (TTL) PROTOCOLO 0 D F M F DIRECCIÓN ORIGEN DESPLAZAMIENTO SUMA DE COMPROBACIÓN (CABECERA) DIRECCIÓN DESTINO OPCIONES RELLENO DATOS 43

44 Qos en IPv6: Modelo de Servicios Diferenciados El código DSCP reemplaza el significado del campo Prioridad (4 bits) y de 2 bits del campo Etiqueta de Flujo del campo Etiqueta de Flujo) 31 Versión Differentiated Services CodePoint xxxxxx XX Longitud de la carga útil Punto de Código de Servicios Diferenciados Notificación Explícita de Congestión (ECN) (para ECN se cogen 2 bits más Etiqueta de flujo (20 bits) Cabecera siguiente Límite de saltos Dirección de origen (16 octetos) 40 octetos Dirección de destino (16 octetos) 44

45 Campo DS y Valor DSCP Campo DS RFC X X X X X X ECN Los paquetes se etiquetan según su QoS a través del campo DS (Differentiated Services) o de Servicios Diferenciados de 6 bits de la cabecera IPv4/IPv6 El valor del campo DS (Differentiated Services) sedenominadscp(ds code point) o Punto de Código de Servicios Diferenciados y es el código o etiqueta utilizada para clasificar paquetes según el modelo de servicios diferenciados Con un valor DSCP de 6 bits se pueden definir 64 clases diferentes de sevicios o comportamientos por salto o tratamientos de reenvío PHB (Per Hop Behavior) DSCP + ECN: Reemplaza el significado del campo Tipo de Servicio (8 bits) de la cabecera IPv4 y al campo Prioridad (4 bits) y 4 bits del campo Etiqueta de Flujo de la cabecera fija IPv6 Valor DSCP ECN: Explicit Congestion Notification Para una notificación explícita de congestión 45

46 Modelo de Servicios Diferenciados Prioridad de tratamiento (cuando los bits 3, 4 y 5 son 0) X X X X X X Puntos de código de selector de clase (Class Selector Codepoints) DSCP (RFC-2474) El valor DSCP indica el comportamiento por salto o tratamiento de reenvío PHB (Per Hop Behavior) en función de la clase de servicio: PHB de reenvío rápido (EF PHB: Expedited Forwarding PHB): Tráfico con más alta prioridad : Caudal alto, latencia baja, jitter bajo, tasade pérdidas baja PHB de reenvío asegurado (AF PHB: Assured Forwarding PHB): TráficoconmenosrecursosqueEFPHBymásqueDFPHB PHB de reenvío por omisión (DF PHB: Default Forwarding PHB): Por omisión, se lleva a cabo la mejor entrega posible o best effort (000000) o primero que llega es el primero que sale (sin QoS) Selector de clase (CS: Class Selector): Cuando los 3 bits de la derecha (bits 3, 4 y 5) son 0, los 3 bits de la izquierda se interpretan de igual forma que los 3 bits de prioridad de IPv4 (XXX000) y, además, para mantener compatibilidad con los códigos IPP (IP Precedence) de los operadores, anteriores a los códigos DSCP ECN ECN: Explicit Congestion Notification Para una notificación explícita de congestión 46

47 Modelo de los Operadores Antes de la publicación del Modelo de Servicios Diferenciados (RFC- 2474, RFC-2475, 1998), los operadores ya utilizaban su propio Modelo de Servicios Diferenciados Actualmente, los operadores siguen aplicando su propia terminología y sus propios códigos anteriores a los códigos DSCP De hecho, se añadió el Selector de clase (CS: Class Selector) para mantener compatibilidad con los códigos IPP (IP Precedence) delos operadores que emplean los 3 bits de mayor orden del campo ToS de Campo DS IPv X X X X X X IPP: IP Precedence Selector de clase (CS: Class Selector) 5: Multimedia o premium o platino (equivalente al PHB de reenvío rápido o EF PHB) 3: Oro 1: Plata Servicio olímpico 0: Bronce (equivalente al PHB de reenvío por omisión o DF PHB) 47

48 cliente Ejemplo del Dominio DS o Dominios DS en la Red IP de un Operador cliente Red del cliente ROUTER DE ACCESÒ ROUTERS DE TRÁNSITO DOMINIO DS ROUTER DE ACCESÒ DOMINIO DS ROUTER DE ACCESÒ ROUTER DE ACCESÒ DOMINIO DS La red IP de un operador está formada por 1 o más dominios DS Un dominio DS (Differentiated Services) consiste en un conjunto de routers contiguos que interpretan un DSCP de manera uniforme Router de acceso: Controla el servicio contratado para los diferentes paquetes de un flujo Router de tránsito: Aplica el funcionamiento por salto (PHB) o código DSCP 48

49 Tipos de Routers en un Dominio DS ROUTER DE ACCESO: Nodo externo con máxima funcionalidad 1. Clasificación: Identifica y separa paquetes en las diferentes clases de servicio en función del SLA contratado; para ello, analiza la información de control de la cabecera IP (e incluso del nivel de transporte) 2. Control: Comprueba si los paquetes están dentro o exceden el nivel de servicio garantizado por el SLA para dichos paquetes. En caso contrario, descarta los paquetes que exceden el SLA para garantizar cualquier otro servicio en la red 3. Codificación: Asigna a cada paquete el DSCP que le corresponde o, incluso, recodifica los paquetes con un diferente DSCP si es necesario 1. Por ejemplo, si se supera la tasa de tráfico (throughput) acordada en un determinado intervalo de tiempo para una determinada clase de servicio, se recodifica el DSCP, por ejemplo, para un reenvío por omisión (DF PHB) 2. Por ejemplo, si una clase de servicio tiene un DSCP = 3 en un dominio y un DSCP =1 en el siguiente dominio, se cambia 3 por 1 3. Por ejemplo, si una clase de servicio tiene una prioridad = 3 en un dominio y una prioridad = 7 en el siguiente dominio, se cambia 3 por 7 4. Encolamiento: Reglas para dar un trato preferencial de cola a los paquetes de entrada según sus DSCPs 5. Eliminación: Reglas para eliminar paquetes en caso de congestión de buffer 6. Ajuste del reenvio: Suaviza las ráfagas de paquetes y conforma el tráfico para su envío por el interfaz en función de la clase de servicio. Retrasa paquetes si es necesario de tal forma que el flujo de paquetes de una clase de servicio no exceda la tasa de tráfico especificada 49

50 Funciones QoS desempeñadas por los Routers de Acceso Identifica y separa paquetes en las diferentes clases de servicio en función del SLA contratado Descarta paquetes que no se ajusten al SLA contratado Asigna a cada paquete el DSCP que le corresponde e incluso recodifica el DSCP Coloca cada paquete en la cola que le corresponde y descarta los que superen el umbral acordado de ocupación del buffer (Encolamiento y eliminación) Ajusta y retrasa el envío de paquetes de tal manera que no se supere la tasa de tráfico acordada (Clasificación) (Control) (Codificación) (Ajuste) 50

51 Tipos de Routers en un Dominio DS ROUTER DE TRÁNSITO: Nodo interno con mínima funcionalidad para tratar los paquetes según su DSCP y aplicar el correcto funcionamiento por salto (PHB) Coloca cada paquete en la cola que le corresponde y descarta los que superen el umbral acordado de ocupación del buffer Encolamiento: Reglas para dar un trato preferencial de cola a los paquetes de entrada según el DSCP de cada paquete Eliminación: Reglas para eliminar paquetes en caso de congestión del buffer 51

52 Ingeniería de Tráfico (Traffic Engineering) Actualmente, los operadores de telecomunicaciones hacen uso de un concepto conocido como Ingeniería de Tráfico para la: Planificación de rutas en una red en base a previsiones y estimaciones puntuales y a largo plazo con el fin de optimizar los recursos yreducirla congestión Para ello, están adoptando MPLS sobre tecnología GigaEthernet abandonando el tradicional modelo basado en ATM para establecer rutas alternativas a un mismo destino en función del QoS contratado Además, para que las rutas sean de menor coste se utiliza previamente un IGP Vía RIP, las rutas son fijas, por el número de saltos, y pueden producir sobrecargas Vía OSPF permite a los routers cambiar dinámicamente las rutas en función de la sobrecarga de éstas e incluso balancear o distribuir la carga de paquetes entre rutas alternativas a un mismo destino En caso de congestión, vía OSPF-TE (Traffic Engineering) permite cambiar las rutas dinámicamente Además, ha resurgido el interés por RSVP vía RSVP-TE (Traffic Engineering) para aplicarlo en MPLS, como alternativa al protocolo LDP, y con el objetivo de distribuir etiquetas 52

53 Funcionamiento de RSVP-TE (Traffic Engineering) Emisor A 2 mensajes básicos RSVP-TE PATH RESV PATH o SOLICITUD DE ETIQUETA, que va por donde indican las tablas IP previamente configuradas, almacenando la dirección del router precedente Receptor B R1 R2 Red IP de un operador R3 R4 Funcionamiento similar a LDP RESV o ASIGNACIÓN DE ETIQUETA,que va de atrás hacia adelante, siguiendo la dirección del router precedente indicado en el mensaje PATH Las Tablas IP configuradas previamente mediante OSPF-TE (Traffic Engineering) 53

54 Protocolo estándar en Internet para proporcionar, extremo a extremo, soporte para el transporte, en tiempo real no interactivo, de paquetes o streams de audio y vídeo entre un servidor y un cliente de streaming RTP (Real Time Transport Protocol) RFC-3550 STD 0064 STREAMING: Proceso que divide los datos multimedia en paquetes del tamaño adecuado para su correcta permitiendo que el cliente de streaming reproduzca el primer paquete, mientras decodifica el segundo y recibe el tercero, STREAMING no es igual que un SERVICIO DE DESCARGA (transferencia de ficheros para su posterior reproducción) Se encapsula sobre UDP DETECCIÓN de paquetes perdidos y CONTROL desordenados mediante un número de secuencia de paquetes Control del jitter de cada paquete en recepción mediante un BUFFER DE REPRODUCCIÓN en donde se almacenan los paquetes previamente y durante un tiempo de espera ( timestamp indicado por el servidor de streaming) antes de ser reproducidos Marca de tiempo (Timestamp): Plazo máximo de espera de un paquete o stream RTP para almacenarlo en el buffer de recepción antes de su reproducción = Retrasa la reproducción hasta que los paquetes llegan en un determinado plazo de espera Si un paquete llega fuera del plazo de espera no se reproduce 54

55 Arquitectura de Protocolos para RTP RTP no ocupa un nivel específico TCP/IP NIVEL DE APLICACIÓN APLICACIÓN RTP Socket UDP APLICACIÓN RTP Socket UDP NIVEL DE TRANSPORTE IP IP RED DE ACCESO INTERFAZ DE LA RED DE ACCESO HARDWARE INTERFAZ DE LA RED DE ACCESO HARDWARE RED DE ACCESO Incorporado en las aplicaciones sin necesidad de implementarse en un nivel separado 55

56 Un Ejemplo de un Envío de Paquetes RTP Formato de los Campos más Relevantes de la Cabecera RTP Emisor Receptor Aplicación Aplicación Vídeo (V) RTP Audio (A) 12 octetos Vídeo (V) RTP Audio (A) Indica el flujo al que pertenece el paquete: (nº aleatorio de 32 bits) UDP IP Cabecera RTP (32 bits) (32 bits) (16 bits) (7 bits) SSRC Marca Nº de Tipo de de Tiempo Secuencia Carga Útil (2 bits) Versión Carga útil RTP UDP IP UDP IP Tipo de carga útil: Formato de datos y algoritmo de compresión /descompresión A V A V A Control paquetes perdidos Control del jitter (sólo se reproducirán los paquetes que y desordenados llegan en un tiempo determinado al buffer del receptor) 56

57 RTCP (RTP Control Protocol) RFC-3550 STD 0064 Diseñado para trabajar conjuntamente con RTP Responsable del envío de información sobre la calidad de recepción para que el emisor pueda ajustar su transmisión: Los participantes se envían periódicamente paquetes RTCP para informar, fundamentalmente, sobre la calidad de la recepción o estadísticas de recepción de los paquetes RTP: Nº más alto de secuencia recibido Nº de paquetes perdidos Nº de paquetes desordenados Marcas temporales (para calcular el tiempo de ida y vuelta) Se encapsula sobre UDP 57

58 RTCP (RTP Control Protocol) Receptor (pasivo) Emisor RTCP Internet RTCP Mensaje de adiós Bye = cerrar el flujo Receptor (pasivo) Informe del receptor Nº más alto de secuencia recibido paquetes perdidos y desordenados, etc. 58

59 Envío de paquetes RTP/RTCP No existen números de puerto fijos para RTP ni RTCP El primer número de puerto par para RTP y el siguiente impar para RTCP Proceso servidor Proceso cliente Nº de puerto = n Nº de puerto = n+1 Nº de puerto = x Nº de puerto = x+1 RTP RTCP RTP RTCP UDP IP UDP IP Internet 59

60 Voz sobre IP (Voice over IP o VoIP) y Telefonía sobre IP o Telefonía IP (Telephony over IP o ToIP) en Internet Ejemplos de servicios en tiempo real interactivos más usados en Internet Objetivo: Utilizar Internet (red de conmutación de paquetes) como una red telefónica (red de conmutación de circuitos) integrando todo tipo de tráfico en redes IP, aprovechando la capacidad disponible, y reduciendo costes de cableado VoIP: Servicio telefónico IP extremo a extremo con teléfonos o terminales IP Desde el teléfono IP se establece la conexión con el otro teléfono IP (protocolo SIP) Un teléfono IP es un sistema TCP/IP que, aparte de la digitalización de la voz (codificación G.7xx) y señalización de la comunicación (establecer, mantener y liberar una llamada vía protocolo SIP), dispone de sus protocolos RTP-UDP-IP- Ethernet para la encapsulación de un trozo de voz en un paquete IP y, posteriormente, en una trama Ethernet Desde el origen (teléfono IP) salen datagramas IP con paquetes o streams RTP (trozos de voz de 20 mseg) que se encaminan por Internet o por cualquier red IP Aplicaciones de Telefonía IP: Skype, VoIPBuster, Jajah, etc. (con sus propios CODEC, algoritmos de compresión/descompresión, SIP y RTP particulares etc.) ToIP: Servicio telefónico IP extremo a extremo con teléfonos o terminales no IP (teléfonos digitales que emplean un CODEC G.7xx o teléfonos analógicos convencionales) que hacen uso del servicio de VoIP mediante gateways media o pasarelas que convierten los paquetes IP en señales digitales o analógicas y viceversa 60

61 Tres Escenarios de Voz sobre IP (VoIP) y Telefonía IP (ToIP) en Internet De teléfono IP (o PC con micrófono) a teléfono IP (o PC con micrófono): Datagramas IP con paquetes RTP de voz (VoIP) extremo a extremo De teléfono IP (o PC con micrófono) a teléfono convencional: Datagramas IP con paquetes RTP de voz (VoIP) hasta el gateway o pasarela que convierte los datagramas IP en señales analógicas o digitales y viceversa De teléfono digital (o analógico) a teléfono digital (o analógico): Datagramas IP con paquetes RTP de voz (VoIP) entre los gateways o pasarelas de cada teléfono 61

62 Voz sobre IP (VoIP) Micrófono Conectado al PC VoIP = audio (G.7xx)/(12)RTP/(8)UDP/20(IP)/18+8(Ethernet) Micrófono Aplicación VoIP Aplicación VoIP Micrófono Internet (al conector USB del PC) El motivo fundamental del empleo de la tecnología VoIP consiste en integrar todo tipo de tráfico en redes IP, aprovechando la capacidad disponible, y reduciendo los costes de cableado 62

63 Voz sobre IP (VoIP) Teléfono IP VoIP = audio (G.7xx)/(12)RTP/(8)UDP/20(IP)/18+8(Ethernet) VoIP Teléfono IP Internet VoIP Teléfono IP El motivo fundamental del empleo de la tecnología VoIP consiste en integrar todo tipo de tráfico en redes IP aprovechando la capacidad disponible y reduciendo los costes de cableado 63

64 Ejemplo de una RAL Ethernet actual de una Organización para la Integración de Voz (VoIP) y Datos por un único cableado Teléfonos IP actuando como Conmutadores Ethernet RAL Ethernet de difusión mediante conmutación de tramas Switch Teléfono IP (Switch) VoIP Internet Router Switch Switch Datagramas IP (Voz y Datos) Un único cableado para voz y datos (Switch) VoIP Teléfono IP Teléfono (Switch) IP Teléfono IP (Switch) VoIP VoIP 64

65 Escenario conjunto de VoIP y Telefonía IP VoIP = audio (G.7xx)/(12)RTP/(8)UDP/20(IP)/18+8(Ethernet) Micrófono Norma CODEC móviles Teléfono IP PC VoIP Convierte la señal analógica/digital en un flujo de datagramas IP y viceversa entre PC y teléfono Sistema de Señalización (ITU-T) GPRS VoIP Teléfono IP VoIP Micrófono Teléfono analógico Desde el origen (teléfono digital) sale una señal digital o PCM (pulsos digitales) hasta el gateway o pasarela PC IP VoIP Paquetes IP GATEWAY MEDIA Señales Digitales y analógicas SS7/RTC/RDSI Desde el origen (teléfono analógica) sale una señal analógica hasta el gateway o pasarela Teléfono digital 65

66 Arquitectura de Protocolos de las Pasarelas para Teléfonos Convencionales Digitales Encapsula/desencapsula 20 mseg de voz en cada paquete IP GATEWAY MEDIA CON PROCESADOR DE LLAMADAS SIP (DOBLE PILA) Un procesador de llamadas debe estar previamente configurado con las direcciones IP del resto de gateways y números telefónicos que cuelgan de dichos gateways TCP o UDP Teléfono IP G711/SIP RTP UDP IP Teléfono Digital CODEC PCM VoIP 66

67 Protocolo de Señalización en Internet SIP (Session Initiation Protocol: RFC-3261 y RFC-3265): Protocolo para el inicio de sesión o conexión del nivel de aplicación, diseñado por el IETF/IAB, para establecer, mantener y finalizar una llamada entre dos: Teléfonos IP Teléfonos no IP vía procesadores de llamadas Un procesador de llamadas establece la llamada directamente con un teléfono IP o con otro gateway media a través del protocolo SIP Un procesador de llamadas puede ser interno dentro del propio gateway media o externo la gateway media pero conectado al mismo conmutador o switch Ethernet al que está conectado el gateway Sobre TCP o UDP H.323 es el estándar equivalente diseñado por ITU 67

68 Integración del tráfico de voz y datos en Internet entre las oficinas de una misma empresa origen trama? destino F1 F10 y F11 F20 son teléfonos digitales convencionales que emplean CODEC G.7xx Cada oficina dispone de un dispositivo Gateway Media (G1 y G2) que convierte la señal digital a paquetes IP y viceversa, encapsulando 20 mseg de voz en cada paquete IP Cada oficina dispone de un procesador de llamadas (P1 y P2) que establece y termina las llamadas entre los Gateway Media (G1 y G2) mediante el protocolo SIP Se utiliza, además, en cada oficina otro Conmutador Ethernet (Switch) al que se conectan los dispositivos G y P. A su vez, este conmutador se conecta al router de salida 68

69 Estructura de una trama o unidad de datos de la comunicación en la línea de conexión entre C5 y G2 al establecerse una comunicación entre los teléfonos F1 y F20 Cabecera Ethernet Cabecera IPv4 Protocolo: UDP (17) Dirección origen: IP privada de G1= x Dirección destino: IP privada de G2= y Cabecera UDP Cabecera RTP Voz G.711 SVT Ethernet 69

70 Fs1 Ts1 Ts20.. Cs destino Ss SEGOVIA Cs Rs NAT SI Internet trama? Gs1 RTC Fs MADRID Rm Sm Cm3 Cm1 Tm20 NAT P Cm4 Cm Gm Fm20 Fm1 Fm21 Tm40 Gm Tm1 Fm40 Tm21 origen teléfonos ajenos a la empresa 70

71 Estructura de una trama o unidad de datos de la comunicación en la línea de conexión entre Rs e Internet al establecerse una comunicación entre los teléfonos Fm40 y Fs1 Cab. Ethernet/Cab. IP del túnel/cab. IP/Cab. UDP/ Cab. RTP/voz/SVT Ethernet Cabecera Ethernet Cabecera IP túnel: D.O.: (Rm) D.D.: (Rs) Protocolo: IP (5) Cabecera IP: D.O.: (Gm2) D.D.: (Gs1) Protocolo: UDP (17) Protocolo RTP Voz G.711 SVT Ethernet 71