Arquitectura de Routers para el soporte de Calidad de Servicio Jhon Jairo Padilla Aguilar, PhD. jhon.padilla@upb.edu.co
NGNs as a global issue Technical aspects Europe ITU NGN Africa ITU-T SG 13: Rec. Y.2001 ANGNisapacket-based network able to provide telecommunication services and able to make use of multiple broadband, QoS-enabled transport technologies and in which service-related functions are independent from underlying transport-related technologies. It enables unfettered access for users to networks and to competing service providers and/or services of their choice. It supports generalized mobility which will allow consistent and ubiquitous provision of services to users. America Asia Challenges Multimedia Generalized mobility Convergence Integrity Multi-layer orientation Open character FG NGN 11 April 2006 Jaroslaw.Ponder@itu.int 2 SG: 11, 13, 19, 2, 12, 16, 17
NGN simplifies the network Before NGN Stovepipe service model NGN promises simplified service model Services Services Services Services Content and Services Servers... PLMN PSTN / ISDN Data / IP CATV IP Core UMTS Access GSM/EDGE Access WiFi/WiMax xdsl Access Broadcast PSTN / ISDN Dedicated technologies duplicated functions 3
Tipos de Servicios Jhon Jairo Padilla A. Calidad del servicio en Internet
Tráfico de diferentes servicios Video llamada Web (http) Broadcasting video VoIP
Tipos de servicios Tipo de Servicio Tráfico Tiempo Real Tráfico Tiempo Real Tráfico Elástico Tráfico Elástico Periodicidad Si no Tasa bit Constante Variable Modo Orientado a Conexión Sin conexión Ejemplo VoIP IPTV Correo electrónico multimedia Transferencia archivos en segundo plano
Aplicaciones de Tiempo Real Tienen requerimientos de retardo muy exigentes Si el retardo supera cierto límite, los datos del paquete ya no serán útiles Ejemplo: Aplicación Audio-streaming Jhon Jairo Padilla A. Calidad del servicio en Internet
Ejemplo: Audio-streaming La voz es enviada en paquetes por la fuente hacia la red Cada paquete experimenta un retardo diferente en la red (tiempo entre paquetes varía) Delay jitter: variación en el retardo de los paquetes (max. Retardo min. Retardo) La variación del retardo produce distorsión en la voz Solución común: uso de un buffer suavizador (playback point (offset de tiempo), playback applications) Jhon Jairo Padilla A. Calidad del servicio en Internet
Distribución del retardo y variación del retardo Densidad de Probabilidad Retardo promedio Tiempo de transferencia Min. Variac.retardo Max. retardo paquetes perdidos o Entregados tarde
Curvas de retardo para diferentes servicios Densidad de Probabilidad Densidad de Probabilidad Servicios de t real Tiempo de retardo Tiempo de retardo Servicios interactivos
Uso del buffer suavizador Salida en la fuente Llegada en el receptor Salida hacia el dispositivo Offset fijo de t Desde salida original Jhon Jairo Padilla A. Calidad del servicio en Internet
Limitantes de la solución con buffer suavizador Los paquetes que demoran menos que el retardo máximo se almacenan y sacan en el momento adecuado (offset) Los paquetes que superan el tiempo de offset ya no pueden ser usados para reconstruir la señal Debe escogerse apropiadamente el tiempo de offset: La red debe dar a conocer el máximo retardo de un paquete a la aplicación (acuerdo de servicio) La aplicación debe estimarlo con base en estadísticas de paquetes anteriores Jhon Jairo Padilla A. Calidad del servicio en Internet
Congestión en Routers
Control de Congestión en TCP Una comunicación puede volverse lenta por dos razones: Por sobrecarga en la memoria del receptor Por congestión en la red Un Receptor mantiene dos ventanas: Ventana del receptor Ventana del transmisor El transmisor envía el número de octetos menor entre los indicados por las dos ventanas: Si el Rx indica Enviar 8K, pero la ventana de congestión dice que no se puede más de 4K, el tx enviará sólo 4K (Y viceversa). Jhon Jairo Padilla A. Calidad del servicio en Internet
Algoritmo de control de congestión Conocido como Slow Start (Jacobson 1988) Procedimiento: 1. Al establecer una conexión, el Tx inicia la ventana de congestión al segmento máximo permitido. 2. El Tx envía un segmento máximo 3. Si no hay vencimiento de temporizador de confirmación, la proxima vez se duplica el valor de la ventana de congestión (crecimiento exponencial) 4. Si hay vencimiento del temporizador o se alcanza el tamaño de la ventana del receptor o un valor threshold, la ventana se incrementará pero en pasos de 1 segmento (crecimiento lineal). 5. Al ocurrir un vencimiento del temporizador, el valor de threshold se coloca el la mitad de la ventana de congestión y la ventana de congestión se reinicia en 1 segmento. Se vuelve al paso 3. Jhon Jairo Padilla A. Calidad del servicio en Internet
Ventana de Congestión Ventana de congestión (KB) threshold threshold Número De txsiones Jhon Jairo Padilla A. Calidad del servicio en Internet
MBone MBone fue una red experimental multicast puesta a punto en 1993 Se realizaron experimentos de transmisión de video (reuniones IETF, lanzamientos de naves espaciales, operaciones en pacientes) Jhon Jairo Padilla A. Calidad del servicio en Internet
Lecciones de MBone Las aplicaciones de tiempo real no trabajan bien sobre Internet (retardo variable y pérdidas por congestión) Muchas aplicaciones de tiempo real trabajan sobre UDP y no reaccionan ante la congestión como TCP Las pérdidas de paquetes grandes durante la congestión no permiten el uso de estas aplicaciones Ciertas aplicaciones de t real han incorporado lazos de realimentación cerrados y pueden adaptarse a condiciones cambiantes, pero trabajan en rangos limitados de cambios Jhon Jairo Padilla A. Calidad del servicio en Internet
Lecciones de MBone El mal uso del multicast puede causar grandes interrupciones a una gran porción de Internet Aplicaciones como video digital son capaces de generar una alta tasa de tráfico. En los 90 s subió hasta saturar algunos backbones. La debilidad en el control explícito de tráfico dentro de la red puede causar que las aplicaciones basadas en UDP se apoderen del ancho de banda de las aplicaciones basadas en TCP cuando compiten por dicho recurso (TCP reduce su envío de paquetes durante congestión y UDP no tiene esta característica. Jhon Jairo Padilla A. Calidad del servicio en Internet
Conclusión: La red debe diferenciar servicios y soportar los requerimientos de cada uno para garantizar un buen servicio a los usuarios.
Soluciones para el soporte de Calidad de Servicio
Arquitectura de servicios Integrados (IntServ) Hay una sola clase por usuario Se crea un circuito virtual por usuario y por flujo Se usa RSVP como protocolo de señalización para establecer el circuito virtual Uso de control de admisión (CAC) Ventajas: Sencillez en implementación Desventajas: #Estados = # flujos (no es escalable) Jhon J. Padilla A.-QoS en Internet
Establecimiento de la Reserva en IntServ Jhon J. Padilla A.-QoS en Internet
Arquitectura de un Router de Servicios Integrados Jhon J. Padilla A.-QoS en Internet
Clasificación Estática y dinámica Clasificación: Se refiere al proceso de mapear un paquete a uno de un conjunto finito de flujos o categorías Clasificación Interna del router: Un router puede clasificar los paquetes entrantes en 4 categorías: Paquetes TCP Paquetes UDP Mensajes ICMP Otros Este conjunto de flujos es estático (no cambia): Asignación de flujos estática. Asignación dinámica de flujos: Se usan uno o varios campos de la cabecera IP para hacer la clasificación (Dir IP origen, Dir IP Destino, Puerto Origen, Puerto Destino, identificación protocolo)
Planificación de paquetes Modelo de fluidos Modelo Paquetizado Jhon J. Padilla A.-QoS en Internet
Arquitectura de servicios Diferenciados Se crea un conjunto reducido de clases Hay grupos de usuarios Pocas clases (AF, EF, BF) manejadas por prioridades Ventaja: Escalable Requiere: Control de admisión (CAC) Control de Policía (UPC, uso de parámetros) Manejo de troncales con QoS mediante MPLS Jhon J. Padilla A.-QoS en Internet
Campo DSCP de DiffServ El estándar de Servicios Diferenciados redefine el campo existente IP TOS para indicar los Comportamientos de Re-Transmisión. El nuevo campo, denominado DS (Differentiated Services), vuelve obsoletas las definiciones existentes del octeto TOS y también el octeto Clase de Tráfico de IPv6. Los primeros 6 bits del campo DS son usados como un DSCP (Differentiated Services Code Point), es decir, un valor que se utiliza para codificar el PHB con que debe tratarse un paquete en cada nodo DiffServ. Los restantes dos bits (campo CU) no están siendo utilizados actualmente.
Arquitectura de Servicios Diferenciados Clasificador, Planificador Clasificador, Medidor, Marcador, Recortador Jhon J. Padilla A.-QoS en Internet
Componentes de un Nodo Frontera Elemento Clasificador Medidor (Meter) Marcador (Marker) Recortador (Shaper) Desechador (Dropper) Función Divide el flujo de paquetes entrante en múltiples grupos basándose en reglas predefinidas Compara el flujo de tráfico de un cliente con su perfil de tráfico. Los paquetes que cumplen el perfil se dejan ingresar directo a la red. Los paquetes que no cumplen deben pasar por el acondicionamiento (marking, shaping, dropping) Fija el campo DSCP (codepoint) a un valor particular. Así se incluye el paquete en una clase de retransmisión. Los paquetes marcados como no conformes podrían ser desechados por la red ante congestión. Un recortador no permite que el paquete pase hacia la red hasta que cumpla con el perfil de tráfico (retarda los paquetes) Desecha los paquetes no cumplientes con el perfil de tráfico Jhon J. Padilla A.-QoS en Internet
Componentes de un nodo frontera Remarker Classifier Marker Meter Shaper Dropper Classificación Acondicionamiento Jhon J. Padilla A.-QoS en Internet
Funciones de un router para el soporte de QoS
Clasificación de paquetes
Flujos en una red Flujo: Paquetes que tienen características similares fluirán sobre el mismo camino lógico (internamente en el router y externamente en la red). QoSa Jhon J. Padilla A.-QoS en Internet QoSb Flujo: (elástico o de tiempo real) Serie de paquetes intercambiados por dos aplicaciones durante una conexión
Clasificación de paquetes
Ventajas de la Clasificación Tiene la capacidad de eludir el procesamiento por capas Introduce la compresión de capas, examinando campos de múltiples capas en un solo paso
Tipos de Clasificadores Función: Divide el flujo de paquetes entrante en múltiples grupos basándose en reglas predefinidas. Hay dos tipos: BA (Behavior Aggregate) MF (Multifield) Jhon Jairo Padilla A. Calidad del servicio en Internet
Clasificador BA Es el más simple Se utiliza en Servicios Diferenciados Selecciona los paquetes basándose únicamente en el codepoint (DSCP). Para que esto funcione se requiere que los paquetes sean marcados (puesto el codepoint en un valor) antes de ingresar al clasificador. Dónde se marcan los paquetes? Son marcados por la fuente O Son marcados por el router de primer salto en la LAN También podría hacerlo el mismo ISP Jhon Jairo Padilla A. Calidad del servicio en Internet
Clasificador MF Usa una combinación de uno o más campos de la quíntupla (dir.dest., dir. Orig.,pto orig, pto dest, id.protoc) en la cabecera del paquete para hacer la clasificación. Casos: Marca paquetes con base en los tipos de aplicación (puertos). Ej: Telnet, FTP. Marca paquetes con base en direcciones particulares de origen, destino o prefijos de red. Es más versátil pero es más complejo que el BA ya que es un problema multidimensional, mientras que el BA sólo clasifica por un parámetro (codepoint). Jhon Jairo Padilla A. Calidad del servicio en Internet
Clasificación MF 100 101 111 Dirección fuente Y1 Y2 Y3 P1 A B P2 Bit map P2 P2=AND(Y3,X4)=011 C prioridad 110 010 Y4 Y5 X1 X2 X3 X4 X5 Bit map 100 110 010 011 001 Dirección destino Jhon J. Padilla A.-QoS en Internet
Clasificación con Hashing Es usada en Servicios Integrados Jhon J. Padilla A.-QoS en Internet
Manejo de colas (Planificacion)
La situación store and forward: Los routers almacenan los paquetes mientras son procesados y luego los re-envían Encolamiento: Políticas, estructuras de datos y algoritmos relacionados con el almacenamiento y selección de los paquetes para el re-envío.
Tipos de colas FIFO: First-In-First-Out: Es el caso más simple Debe diseñarse para tener un acceso eficiente Debe notificar al receptor cuando hay paquetes presentes Debe manejar los casos extremos: Cola vacía: No hay paquetes en la cola Cola Llena: No pueden agregarse más paquetes a la cola. El diseñador debe tener en cuenta: Dónde ubicar la cola FIFO? Qué tan larga debe ser la cola?
Tipos de colas Colas con Prioridades: Son más complejas que la FIFO Se favorecen unos paquetes sobre otros según diferentes criterios Contenido de los paquetes Identidad del orígen Tamaño del paquete
Colas con prioridades Ejemplos más usados: Priority Queueing (PQ) Weighted Round Robin (WRR) WFQ (Weighted Fair Queueing)
Priority Queueing (PQ) Hay varias colas, cada una con una prioridad diferente Mientras haya paquetes en una cola de alta prioridad, las demás colas deben esperar. Hambruna: La cola de menor prioridad podría no ser atendida en mucho tiempo.
Weighted Round Robin (WRR) Evita la hambruna RR: Round Robin WRR: Se asigna a los clientes (flujos) un tiempo de servicio fijo (ranura de tiempo). Si el servicio no se completa durante este intervalo, el cliente (flujo) regresa a la cola, que es de tipo FCFS. A un cliente se pueden asignar varias ranuras de tiempo según la prioridad que posea. A mayor prioridad, más ranuras ES1 ES2 ES3 ES1 ES2 ES3 t
WRR Ventajas Aisla las colas El tráfico excesivo en una cola no afecta el servicio de las otras Desventajas Cálculos se hacen con base en el tamaño medio del paquete Si el tamaño de los paquetes varía mucho con respecto a la media, algunas colas podrían recibir más tiempo de servicio y otras menos de lo debido.
WFQ Weighted Fair Queueing: Encolamiento Justo por pesos Es utilizado en Servicios Integrados El objetivo es dividir el ancho de banda de un enlace de salida entre los flujos de paquetes existentes de forma justa Evita la hambruna Asigna recursos de manera más precisa que WRR.
WFQ Está basado en el principio usado por GPS (Generalized Processor Sharing). La tasa de salida en bps es proporcional al peso asignado a cada flujo GPS es un modelo de fluidos Pero se requiere un modelo paquetizado Modelo de fluidos Modelo Paquetizado
Modelo paquetizado de WFQ PGPS: Packetized Generalized Processor Sharing Usa el Token Bucket:
WFQ Ventajas Aisla las colas para evitar hambruna Opera sin conocimiento previo de las prioridades del tráfico, ni tampoco el tamaño de los paquetes Puede ser usado para garantizar el retardo límite de los paquetes Desventajas Uso de los recursos: Almacena información de estado Requiere cálculos para cada paquete que llega No es escalable para un gran número de flujos o tasas de tráfico altas para los agregados de tráfico
Descarte de paquetes para evitar la congestion
Objetivo El problema: Congestión Durante la congestión las colas de los routers se acercan a su máximo límite. Al llegar las colas a su máximo límite, no se pueden recibir más paquetes y se pierden Un método para reducir la congestión es EVITARLA mediante el descarte de paquetes cuando el sistema está cercano a la congestión.
Métodos para evitar la congestión Hay métodos básicos: Tail drop: Se desechan los paquetes que llegan cuando la cola está llena. El problema es que se produce el efecto de sincronización global con las comunicaciones que usan TCP (por el control de congestió en TCP) RED (Random Early Detection): Después de cierto umbral de longitud de las colas, se desechan paquetes aleatoriamente con cierta probabilidad (a mayor longitud de colas, mayor probabilidad de descarte) Esto evita la Sincronización global
EARLY RANDOM DROP Pb Pa Pa Pa Pa Pa U.max U.min Si el tamaño promedio de la cola esta entre el mínimo y el máximo umbral, cada paquete que llegue es marcado con probabilidad Pa. Cuando el tamaño promedio de la cola excede el U.max, cada paquete que va llegando va siendo marcado con Pb. Esto reduce la sincronización global.
RED 1 Probabilidad de bloqueo 0 U.min U.max Según se va aproximando el tamaño medio de la cola al umbral máximo, va bloqueando un número cada vez mayor de paquetes. Cuando bloquea los paquetes, RED escoge de qué conexiones bloqueará los paquetes de una forma aleatoria. Longitud promedio de la Cola
Acondicionador de tráfico Realiza funciones de policía de tráfico para asegurar el TCA entre clientes e ISP. Consiste de 4 elementos: Medidor (Meter) Marcador (Marker) Recortador (Shaper) Desechador (Dropper) Acciones sólo para paquetes no conformes Jhon Jairo Padilla A. Calidad del servicio en Internet
SLA En DS los servicios se definen entre el cliente y el proveedor de servicios con un SLA (Service Level Agreement) Partes de un SLA: TCA (Traffic conditioning Agreement) Disponibilidad Seguridad Monitoreo Auditoría Contabilidad Precio Cobro Jhon Jairo Padilla A. Calidad del servicio en Internet
TCA Detalla parámetros de servicio para perfiles de tráfico y control de policía. Puede incluir: Perfiles de tráfico, tales como parámetros del token bucket (difieren para c/clase) Métricas de desempeño (throughput, retardo, prioridades) Acciones para paquetes no-conformes Servicios de marcación de paquetes y recorte suministrados por el proveedor. Jhon Jairo Padilla A. Calidad del servicio en Internet
Algunos Parámetros de QoS Tasa de bits MBS PCR SCR MCR MBS:Maximum Burst Size; Cuánto tiempo se Puede trabajar Por encima del SCR tiempo Jhon J. Padilla A.-QoS en Internet
Parámetros de QoS Parámetro Tasa celdas pico Tasa celdas sostenida Siglas PCR SCR Significado Tasa máxima a la que se enviarán las celdas Tasa de celdas promedio a largo plazo Tasa celdas mín. Tolerancia de variac. De retardo celdas Tasa perdida celdas Retardo transf.celda Variac.retardo celda Tasa errores celdas MCR CVDT CLR CTD CDV CER Tasa celdas mínima aceptable Fluctuación de retardo máxima aceptable en las celdas Fracción de celdas que se pierden o entregan muy tarde Tiempo que lleva la entrega (medio, máximo) Variación tiempo de entrega de celdas Fracción celdas entregadas sin error Jhon J. Padilla A.-QoS en Internet
Medidor (Meter) Compara el flujo de tráfico de un cliente con su perfil de tráfico. Los paquetes que cumplen el perfil se dejan ingresar directo a la red. Los paquetes que no cumplen deben pasar por el acondicionamiento (marking, shaping, dropping). La mayoría de medidores son implementados con Token Bucket, ya que los perfiles son descritos en los términos de este algoritmo. Jhon Jairo Padilla A. Calidad del servicio en Internet
Medición de tráfico contoken Bucket Jhon J. Padilla A.-QoS en Internet
Marcador Fija el campo DSCP (codepoint) a un valor particular. Así se incluye el paquete en una clase de retransmisión. Podrían marcar paquetes no marcados o remarcar paquetes ya marcados. También marcan paquetes no conformes con un valor especial de codepoint para indicar su noconformidad. Los paquetes marcados como no conformes podrían ser desechados por la red ante congestión. Jhon Jairo Padilla A. Calidad del servicio en Internet
Marcador Cuándo se re-marcan los paquetes? Cuando hay cambio de dominio DS y en el nuevo dominio son paquetes no conformes. Cuando hay cambio de dominio DS y hay diferentes codepoints en el nuevo dominio. Casos de cambio de PHB: Degradación de PHB: El nuevo PHB es peor que el anterior (caso más común) Promoción de PHB: El nuevo PHB es mejor que el anterior Jhon Jairo Padilla A. Calidad del servicio en Internet
Marcado de paquetes con Dual token algorithm No cumple No cumple Rojo Amarillo cumple cumple PIR/PCB? CIR/CBS? Verde Token bucket P Token bucket C Jhon J. Padilla A.-QoS en Internet
Recortador (Shaper) Función: Retarda los paquetes no-conformes hasta que cumplen con el perfil de tráfico. Un marcador sólo marca los paquetes pero los deja seguir a la red. Un recortador no permite que el paquete pase hacia la red hasta que cumpla con el perfil de tráfico. Puede requerirse un recortador al cambiar de dominio DS. El nodo de egreso debería recortar el tráfico para que cumpla con el perfil de tráfico apropiado para el siguiente dominio DS. Jhon Jairo Padilla A. Calidad del servicio en Internet
Desechador (Dropper) Desecha los paquetes no cumplientes con el perfil de tráfico Es más fácil de implementar que un shaper, pues no requiere un buffer mientras que el shaper sí. Jhon Jairo Padilla A. Calidad del servicio en Internet
Conclusiones El soporte de QoS es indispensable para las redes NGN El hecho de tener diferentes tipos de Servicios impone una problemática en redes IP Las soluciones existentes para soporte de QoS en redes IP son IntServ y DiffServ Los routers de IntServ y DiffServ utilizan diferentes mecanismos internos: clasificación, planificación, medición, recorte, marcado, desechado, detección temprana de la congestión
Gestión de los Servicios en DiffServ
Gracias! jhon.padilla@upb.edu.co