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QoS
Referência:
Slides extraídos do material dos professores Jim Kurose e Keith Ross relativos ao livro “Redes de Computadores e a Internet – Uma abordagem top-down”, segunda e terceira edições
Alterações nos slides, incluindo sequenciamento, textos, figuras e novos slides, foram realizadas conforme necessidade
Oferecendo QOS em Redes IP
Trabalhos em progresso do IETF para fornecer garantias de QoS incluem RSVP, Serviços Diferenciados, e Serviços Integrados
Modelo simples para estudos de compartilhamento e de congestionamento:
Enlace de 1,5 Mbps
Fila de interfacede saída de R1
Princípios para Garantias de QOS
Considere uma aplicação de telefonia a 1Mbps e uma aplicação FTP compartilhando um enlace de 1.5 Mbps. rajadas de tráfego FTP podem congestionar o roteador
e fazer com que pacotes de aúdio sejam perdidos. deseja-se dar prioridade ao aúdio sobre o FTP
PRINCÍPIO 1: Marcação de pacotes é necessária para o roteador distingüir pacotes entre diferentes classes, assim como novas regras de roteamento para tratar os pacotes de forma diferenciada
Princípios para Garantia de QOS (mais)
Aplicações mal-comportadas (aúdio envia pacotes numa taxa superior a 1Mbps anteriormente assumida);
PRINCÍPIO 2: fornecer proteção (isolamento) para uma classe em relação às demais
Exige mecanismos de policiamento para assegurar que as fontes aderem aos seus requisitos de banda passante. Marcação e policiamento precisam ser feitos nas bordas da rede:
marcação de pacotes e policiamento
Alternativa à marcação e policiamento: alocar uma porção da taxa de transmissão a cada fluxo de aplicação; pode produzir um uso ineficiente da banda se um dos fluxos não usa toda a sua alocação
PRINCÍPIO 3: Embora fornecendo isolamento, é necessário usar os recursos da forma mais eficiente possível
Princípios para Garantia de QOS (mais)
marcação de pacotes
enlace lógico de 1 Mbps
enlace lógico de 0,5 Mbps
Não deve ser aceito tráfego além da capacidade do enlace PRINCÍPIO 4: Necessita de um Processo de
Admissão de Chamada; a aplicação declara a necessidade do seu fluxo, a rede pode bloquear a chamada se a necessidade não pode ser satisfeita
Princípios para Garantia de QOS (mais)
Mecanismos de Escalonamento e Policiamento
Escalonamento: a escolha do próximo pacote para transmissão num enlace pode ser feita de acordo com várias regras;
FIFO: em ordem de chegada na fila; pacotes que chegam para um buffer cheio ou são descartados, ou uma política de descarte é usada para determinar qual pacote descartar entre aquele que chega e aqueles que já estão na fila
chegadas partidas
enlace(servidor
)
fila(área de espera)
Disciplinas de Escalonamento
Filas com Prioridade: classes tem diferentes prioridades; classes podem depender de marcação explícita ou de outras informações no cabeçalho, tais como, o endereço de origem ou de destino, número de portas, etc.
Transmite um pacote da prioridade mais alta que esteja presente na fila
Versão preemptive e não-preemptive
chegadas
classificação
fila de baixa prioridade(área de espera)
fila de alta prioridade(área de espera)
partidas
partidas
chegadas
pacotesno
servidor
tempo
tempoenlace(servidor)
Disciplinas de Escalonamento (mais)
Round Robin: percorre as classes presentes na fila, servindo um pacote de cada classe que tem pelo menos um representante na fila
chegadas
pacote em serviço
partidas
tempo
tempo
Weighted Fair Queuing (fila justa ponderada): é uma forma generalizada de Round Robin na qual se tenta prover a cada classe com um volume diferenciado de serviço num dado período de tempo
Disciplinas de Escalonamento (mais)
classificadorde chegadas
partidas
enlace
Mecanismos de Policiamento
Três critérios: (Longo prazo) Taxa Média (100 pacotes por
segundo ou 6000 pacotes por minuto??), o aspecto crucial é o tamanho do intervalo
Taxa de Pico: ex. 6000 pacotes por minuto na média e 1500 pacotes por segundo de pico
(Max.) Tamanho da Rajada: Máximo número de pacotes enviado consecutivamente, isto é, num curto período de tempo
Mecanismo Token Bucket (balde de permissões), oferece um meio de limitar a entrada dentro de um tamanho de rajada e uma taxa média especificados.
Mecanismos de Policiamento
pacotesesperatoken
para a rede
balde pode conter até b tokens
r tokens/seg
Balde pode armazenar b tokens; tokens são gerados numa taxa de r token/seg exceto se o balde está cheio.
Num intervalo de tempo t, o número de pacotes que são admitidos é menor ou igual a (r t + b).
Token bucket e WFQ podem ser combinados para prover um limitesuperior ao atraso.
Mecanismos de Policiamento
Serviços Integrados
Uma arquitetura para prover garantias de QOS em redes IP para sessões individuais de aplicações
Confia em reserva de recursos, e os roteadores necessitam manter informação de estado ( Circuito Virtual??), mantendo um registro dos recursos alocados e respondendo a novos pedidos de conexões de acordo com o estadoda rede
Admissão de Chamadas
A sessão deve primeiramente declarar seus requisitos de QoS e caracterizar o tráfego que ela enviará através da rede
R-spec: define a QOS sendo solicitada T-spec: define as características de tráfego É necessário um protocolo de sinalização para
transportar a R-spec e a T-spec aos roteadores onde a reserva deve ser pedida: RSVP (Resource Reservation Protocol) é o melhor
candidato para este papel de protocolo de sinalização
Definido pela RFC 2205 Também usado no estabelecimento de túneis MPLS
Admissão de Chamadas
Admissão de Chamadas: roteadores aceitarão as chamadas com base nas suas R-spec e T-spec e com base nos recursos correntemente alocados nos roteadores para outras chamadas.
1. Pedido: especifica - tráfego (Tspec) - garantia (Rspec)
2. Elemento considera - recursos não reservados - recursos solicitados
3. Resposta: o pedido pode ou não ser atendido
Serviços Integrados: Classes
QOS Garantido: esta classe é oferecida com controles estritos dos atrasos de filas nos roteadores; projetada para aplicações de tempo real críticas que são muito sensíveis ao atraso médio fim-a-fim e a sua variância
Carga Controlada: esta classe fornece um QOS que aproxima bem aquele fornecido por um roteador não carregado; projetada para as aplicações IP de hoje que se comportam bem quando a rede não está carregada
Serviços Diferenciados
Planejado para resolver as seguintes dificuldades que se encontram nos esquemas com Intserv e RSVP: Escalabilidade: manter informações de estado nos
roteadores em redes de alta velocidade é difícil devido ao grande número de fluxos simultâneos
Modelos de Serviços Flexíveis: Intserv tem apenas duas classes, deseja-se prover mais classes de serviços com diferentes méritos qualitativos; deseja-se manter uma distinção “relativa” entre as classes (Platina, Ouro, Prata, …)
Sinalização mais Simples: (que o RSVP) muitas aplicações e usuários podem desejar apenas especificar um serviço de forma mais qualitativa
Serviços Diferenciados
Abordagem: Apenas funções simples no interior da rede e
funções relativamente complexas nos roteadores de borda (ou nos hosts)
Não define classes de serviço, ao invés disso fornece componentes funcionais com os quais as classes de serviço podem ser construídas
Funções de Borda
Num computador com funções de DS (serviços diferenciados) ou no primeiro roteador com funções de DS: Classificação: o nó de borda marca os pacotes de
acordo com regras de classificação a serem especificadas (pelo administrador ou por algum protocolo de sinalização)
Condicionamento de Tráfego: o nó de borda pode atrasar e então enviar ou pode descartarroteador de borda: classificação
condicionamentoroteador central: envio
Funções do Núcleo Central
Envio: de acordo com “Per-Hop-Behavior” (comportamento por salto), ou PHB, especificado para aquela classe em particular
Este PHB baseia-se estritamente na marcação de classe (nenhum outro campo do cabeçalho pode ser usado para influenciar o PHB)
GRANDE VANTAGEM:Não há necessidade de manter informação de
estado de conexão nos roteadores!
Classificação e Condicionamento
Pacote é marcado no campo Tipo de Serviço (TOS) no IPv4, e Classe de Trafégo no IPv6
6 bits são usados para o Ponto de Código de Serviços Diferenciados (DSCP) - (Differentiated Service Code Point) e determinam o PHB que o pacote receberá
2 bits são atuamente reservados
Pode ser desejável limitar a taxa de injeção de tráfego em alguma classe usuário declara o perfil de tráfego (ex., taxa e
tamanho das rajadas) tráfego é medido e ajustado se não estiver de
acordo com o seu perfil (condicionamento de tráfego)
Classificação e Condicionamento
pacotesclassificador marcador
ajustecorte
enviar
descartar
medidor
Envio (PHB)
PHB resulta num comportamento diferentemente observável (mensurável) para o desempenho do envio de pacotes
PHB não especifica quais mecanismos usar para assegurar um comportamento do desempenho conforme o exigido pelo PHB
Exemplos: Classe A obtém x% da taxa de transmissão do
enlace de saída considerando intervalos de tempo de uma certa extensão
pacotes de classe A partem primeiro, antes dos pacotes de classe B
Envio (PHB)
PHBs que têm sido mais usados: Envio Expresso: taxa de partida dos pacotes de
uma dada classe iguala ou excede uma taxa especificada (enlace lógico com uma taxa mínima garantida e serviço imediato)
Envio Assegurado: 4 classes, cada uma garantida com um mínimo de taxa de transmissão e armazenamento; cada uma com três particionamentos para preferência de descarte dos pacotes
Problemas com os Serviços Diferenciados
AF e EF não estão padronizados ainda… pesquisa em andamento
“Linhas dedicadas virtuais” e serviços “Olímpicos” estão sendo discutidos
Impacto de atravessar múltiplos sistemas autônomos e roteadores que não estão preparados para operar com as funções de serviços diferenciados
Disciplinas de Escalonamento de Filas
FIFO: First In, First Out Pacotes servidos na ordem de chegada
Disciplinas de Escalonamento de Filas (2)
PQ: Priority Queue Fila de menor prioridade servida somente quando
filas de maior prioridade estão vazias
Disciplinas de Escalonamento de Filas (3)
FQ: Fair Queue Pacotes classificados por fluxos, para cada fluxo uma fila Filas servidas em round robin - mesma banda para cada
fluxo
Disciplinas de Escalonamento de Filas (4)
WFQ: Weighted Fair Queue FQ ponderada – cada fluxo recebe um percentual de
banda diferente de acordo com peso da fila Pacotes servidos dado um tempo final arbitrado de
acordo com o tamanho do pacote e o peso da fila
Disciplinas de Escalonamento de Filas (5)
WFQ (2): Forma discreta e aproximada de um sistema Generalized Processor Sharing (GPS) GPS é teórico, não pode ser implementado apenas
aproximado Comportamento semelhante a um WRR bit a bit Evita que fluxos com pacotes grandes monopolize o
sistema
Disciplinas de Escalonamento de Filas (6)
CBWFQ: Class-Based WFQ Pacotes diferenciados por classes de tráfego (diffserv) WFQ entre as filas resultantes
Disciplinas de Escalonamento de Filas (7)
LLQ: Low latency Queue Proposta da Cisco conjugando uma fila PQ com outras
CBWFQ Tráfego para a fila PQ com banda limitada para evitar
monopólio da capacidade total da interface Fila PQ em geral usada para tráfego de VoIP CBWFQ limitado na prática a um máximo de 5 filas para
evitar problemas de processamento Classe best-effort ou default: atribuída para tráfego não
privilegiado, sempre presente