calidad de servicio (qos) esión 3 nelson josé pérez díaz filecalidad de servicio (qos) 3...

Calidad de Servicio (QoS)

1

Calidad de Servicio (QOS)

Sesión 3 Nelson José Pérez Díaz

Conceptos Fundamentales

El objetivo de la presenta práctica es familiarizar al alumno con los servicios de voz sobre IP (Voice Over IP, VOIP), interactuando con la telefonía analógica. Este entorno de telefonía más general, abierto e integrando servicios de voz tradicionales e IP, llamaremos telefonía IP. En la práctica a realizar, configuraremos inicialmente la red de datos para pasar a configurar los servicios VOIP. Una vez configurado y comprobado su funcionamiento, integraremos la telefonía tradicional o analógica, con lo cual habremos conseguido hacer funcionar una maqueta de telefonía IP.

Comentarios sobre la Práctica No. 1

Objetivo


2

Hardware Requerido

- Tarjetas FXO (Foreign eXchange Office), que son tarjetas que permiten la conversión analógico-digital y digital-analógico, y que conectan directamente bien a una centralita privada o PBX1 o bien a la operadora analógica directamente.

- Tarjetas FXS (Foreign eXchange Station), que son tarjetas que permiten la conversión analógico-digital y digital-analógico, y que permiten conectar directamente teléfonos analógicos y por ello ofrecen en su conector los 50 voltios para su alimentación. Tanto las tarjetas FXS como FXO normalmente disponen de al menos 2 puertos de voz por tarjeta, concretamente es el caso de las utilizadas en esta práctica.

Hardware Requerido


3

dial-peer voice 1 pots destination-pattern 101 port 0/3/0 ! dial-peer voice 2 pots destination-pattern 102 port 0/3/1 ! dial-peer voice 3 voip destination-pattern 201 session target ipv4:200.100.50.2

A nivel lógico, vemos que existen dos tipos diferentes de interfaces de voz POTS (Plain Old Telephony Service) y VOIP, que podemos configurar a través de los comandos “dial-peer”, es decir configuración de un vecino de marcación o iguales de marcación. Los “dial-peer” son bidireccionales, es decir se utilizan tanto para llamadas entrantes como salientes. Las características asociadas a cada uno de ellos son: - POTS: vecino de telefonía tradicional o analógica, al cual configuraremos el identificativo E.164 (número E.164 asociado al teléfono) utilizando para ello el comando “destinationpattern” y puerto físico al que se vincula, es decir donde está conectado en el router (módulo/slot), utilizando para ello el comando “port”. Los POTS pueden estar asociados tanto a tarjetas FXS, en cuyo caso el destino asociado es el propio número del teléfono directamente conectado y para tarjetas FXO, donde el destino asociado es todo el rango de marcación accesible por dicho puerto. - VOIP (Voice over IP): vecino de telefonía sobre IP, el cual configuraremos con un identificativo E.164 (número E.164 asociado al teléfono) utilizando para ello el comando “destinationpattern” y la dirección IP de la entidad que va a atender/gestionar dicha llamada, utilizando para ello el comando “session target ipv4:”. El mecanismo utilizado para transferir la llamada y su señalización no es SCCP, si no H.225. Con ello, lo que hemos configurado es: - dial-peer voice 1 pots y dial-peer voice 2 pots configuramos las extensiones de las interfaces analógicas privadas (POTS) directamente conectadas a las tarjetas FXS - dial-peer voice 3 voip, configuramos las llamadas digitalizadas destino entre los diferentes routers.

Hardware Requerido


4

1.1 Conmutación de circuitos y conmutación de paquetes

Características de la conmutación de circuitos:

• Durante el establecimiento de la comunicación se establece un circuito extremo-extremo que se utiliza durante toda la llamada para intercambiar la información entre los abonados A y B.

•  Cada nodo de conmutación (central telefónica) colabora estableciendo secciones del circuito extremo-extremo.

•  Las distintas secciones del circuito pueden ser de muy distintas naturalezas: par de cobre, enlace de radio FDM analógico, enlace de radio TDM digital, redes de datos en que se establece un circuito virtual, …

•  La existencia de un circuito dedicado a la comunicación mientras ella no se termine, garantiza baja probabilidad de pérdida de información.

Características de la conmutación de paquetes:

•  Se efectúa en forma distribuida en los múltiples dispositivos y computadores que conforman la red de datos IP

•  Cada paquete contiene muestras de la información que intercambian los abonados A y B y además información de direccionamiento, con indicación de los dispositivos de origen y de destino, que es utilizada por los routers para encaminar los paquetes hasta sus destinos.

•  Los paquetes correspondientes a la información de una misma comunicación pueden seguir caminos diferentes

•  La probabilidad de que se pierda información o que llegue retrasada es mayor que en la conmutación de circuitos.


5

Red telefónica tradicional (RTPC) Conmutación de circuitos

Redes IP Conmutación de paquetes (*)

(*) Sin embargo debe tenerse presente que en las redes de datos también pueden establecerse circuitos virtuales, y transmitir por ellos en forma secuencial, toda la información correspondiente a una comunicación. Lo anterior significa que en redes de datos también es posible la conmutación de circuitos.

De esta forma puede darse conmutación de circuitos, en que la información se transmite en forma de paquetes.

1.2 Voz sobre IP (VoIP) y Telefonía IP

Características esenciales de una comunicación VoIP

•  La voz se codifica en forma de paquetes de datos (se “paquetiza”)

•  Se usa una red de datos IP para transferir dichos datos

Se debe distinguir entre las expresiones “VoIP” y “Telefonía IP”:

Telefonía IP es un concepto amplio, que se preocupa de la problemática de reproducir en redes IP todos los servicios que ofrece la Red Telefónica Pública Conmutada (incluyendo, por ej., fax, ISDN, interconexión con todo tipo de redes fijas y móviles)

VoIP se refiere a la tecnología usada para transmitir voz por redes IP, sean estas redes privadas o Internet

No obstante a veces, erróneamente, ambas expresiones se usan como sinónimos.


6

•  Concepto de Calidad de Servicio •  Calidad de servicio en LANs •  Calidad de Servicio en Internet

– Modelo IntServ y protocolo RSVP – Modelo DiffServ

•  Control de congestión en Internet •  MPLS

Requerimientos de Calidad de Servicio de las aplicaciones

Aplicación Fiabilidad Retardo Jitter Ancho de Banda

Correo electrónico Alta (*) Alto Alto Bajo

Transferencia de ficheros Alta (*) Alto Alto Medio

Acceso Web Alta (*) Medio Alto Medio

Login remoto Alta (*) Medio Medio Bajo

Audio bajo demanda Media Alto Medio Medio

Vídeo bajo demanda Media Alto Medio Alto

Telefonía Media Bajo Bajo Bajo

Vídeoconferencia Media Bajo Bajo Alto

(*) La fiabilidad alta en estas aplicaciones se consigue automáticamente al utilizar el protocolo de transporte TCP


7

Congestión y Calidad de Servicio

•  Sería muy fácil dar Calidad de Servicio si las redes nunca se congestionaran. Para ello habría que sobredimensionar todos los enlaces, cosa no siempre posible o deseable.

•  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).

Carga

Ren

dim

ient

o

Sin Congestión

Congestión Fuerte

Congestión Moderada

Efectos de la congestión en el tiempo de servicio y el rendimiento

Sin Congestión

Congestión Fuerte

Congestión Moderada

Tiem

po d

e Se

rvic

io

Carga

QoS útil y viable

QoS inútil QoS inviable QoS útil y viable

QoS inútil QoS inviable


8


•  Decimos que una red o un proveedor ofrece ‘Calidad de Servicio’ o QoS (Quality of Service) cuando se garantiza el valor de uno o varios de los parámetros que definen la calidad de servicio que ofrece la red. Si el proveedor no se compromete en ningún parámetro decimos que lo que ofrece un servicio ‘best effort’.

•  El contrato que especifica los parámetros de QoS acordados entre el proveedor y el usuario (cliente) se denomina SLA (Service Level Agreement)

Parámetros típicos de los SLAs

Parámetro Significado Ejemplo

Disponibilidad Tiempo mínimo que el operador asegura que la red estará en funcionamiento

99,9%

Ancho de Banda

Indica el ancho de banda mínimo que el operador garantiza al usuario dentro de su red

2 Mb/s

Pérdida de paquetes

Máximo de paquetes perdidos (siempre y cuando el usuario no exceda el caudal garantizado)

0,1%

Round Trip Delay

El retardo de ida y vuelta medio de los paquetes 80 mseg

Jitter La fluctuación que se puede producir en el retardo de ida y vuelta medio

± 20 mseg


9

Fluctuación del retardo—“Jitter”

t

t

Emisor Transmite

Receptor Recibe

A B C

A B C

50 ms

Emisor Receptor

Red

50 ms 90 ms

Congestión Retardo: 70 ms ± 20 ms (retardo: 70 ms, jitter: 40 ms) Red vacía

Jitter Retardomedio Datagramas considerados

perdidos por haberse entregado demasiado tarde

Retardomínimo

El tiempo mínimo de propagación

depende de las características físicas

de la red

Relación entre la probabilidad de llegada de los datagramas y los parámetros del SLA

Prob

abili

dad

Tiempo


10

Reducción del Jitter •  La principal causa de jitter es la congestión •  Se puede reducir el jitter añadiendo un retardo

adicional en el lado del receptor. Por ejemplo con un retardo de 70 ± 20 ms se puede asegurar jitter 0 si se añade un retardo de 40 ms (90 ± 0 ms).

•  Para el retardo adicional el receptor ha de tener un buffer suficientemente grande.

•  En algunas aplicaciones no es posible añadir mucho retardo pues esto reduce la interactividad. Ej.: videoconferencia, telefonía por Internet

Calidad de Servicio: ¿Reserva o Prioridad?

•  Existen dos posibles estrategias para dar trato preferente a un usuario en una red: – Carril BUS: reservar capacidad para su uso

exclusivo. A veces se denomina ‘QoS hard’. Ej.: VCs ATM con categoría de servicio CBR

– Ambulancia: darle mayor prioridad que a otros usuarios. A veces se denomina ‘QoS soft’. Ejemplo: Token Ring

•  Cada una tiene ventajas e inconvenientes.


11

¿Reserva o Prioridad?

Ventajas Inconvenientes

Reserva • Da una garantía casi total • Los paquetes no necesitan llevar ninguna marca que indique como han de ser tratados, la información la tienen los routers

• Requiere mantener información de estado en todos los routers por lo que pasa la comunicación • Se requiere un protocolo de señalización para efectuar la reserva en todo el trayecto

Prioridad • Los routers no necesitan conservar información de estado.

• Los paquetes han de ir marcados con la prioridad que les corresponde • La garantía se basa en factores estadísticos, es menos segura que la reserva de recursos (puede haber overbooking)

Sumario





12

QoS en LANs

•  Desarrollos en 802.1p y 802.1Q •  Campo prioridad de tres bits. Hasta ocho niveles

posibles. Similar al campo prioridad de Token Ring, pero incompatible.

•  No se ha extendido su uso. Dudosa utilidad dada la posibilidad de sobredimensionar a bajo costo

•  Necesidad de acompañarlo de políticas de uso (sistema de contabilidad/facturación).

Dir. MAC Destino

Dir. MAC Origen

Ethertype/ Longitud Datos

Relleno (opcional) CRC

Etiquetado de tramas según 802.1Q

Dir. MAC Destino

Dir. MAC Origen

X’8100’ Tag Ethertype/ Longitud Datos

Relleno (opcional) CRC

Trama 802.3

Trama 802.1Q

Pri CFI VLAN Ident.

El Ethertype X’8100’ indica ‘protocolo’ VLAN

Bits 1 3 12

Pri: Prioridad (8 niveles posibles) CFI: Canonical Format Indicator (indica formato de direcciones MAC) VLAN Ident.: Identificador VLAN (máximo 4096 en una misma red)


13

Sumario




Calidad de Servicio en Internet

•  La congestión y la falta de QoS es el principal problema de Internet actualmente.

•  TCP/IP fue diseñado para dar un servicio ‘best effort’.

•  Existen aplicaciones que no pueden funcionar en una red congestionada con ‘best effort’. Ej.: videoconferencia, VoIP (Voice Over IP), etc.

•  Se han hecho modificaciones a IP para que pueda funcionar como una red con QoS


14

“El Santo Grial de las redes de computadores es diseñar una red que tenga la flexibilidad y el bajo costo de la Internet, pero que ofrezca las garantías de calidad de servicio extremo a extremo de la red

telefónica.”

S. Keshav: 'An Engineering Approach to Computer Networking‘, 1997

Calidad de Servicio en Internet

Calidad de servicio en Internet •  Se han desarrollado y estandarizado los dos

mecanismos de QoS, reserva y prioridad: –  IntServ (Integrated Services) y protocolo RSVP. El

usuario solicita de antemano los recursos que necesita; cada router del trayecto ha de tomar nota y efectuar la reserva solicitada.

–  DiffServ (Differentiated Services). El usuario marca los paquetes con un determinado nivel de prioridad; los routers van agregando las demandas de los usuarios y propagándolas por el trayecto. Esto le da al usuario una confianza razonable de conseguir la QoS solicitada.

•  Ambos son compatibles y pueden coexistir


15

Sumario




Clasificación de las aplicaciones en IntServ (Integrated Services)

Tolerantes a pérdidas Intolerantes a pérdidas

Elásticas Datos UDP: DNS, SNMP, NTP, etc.

Datos sobre TCP: FTP, Web,e-mail, etc.

Tiempo Real

Flujos Multimedia en modo ‘streaming’, videoconferencia, telefonía sobre Internet, etc.

Emulación de circuitos (simulación de líneas dedicadas)


16

Tipos de servicio en IntServ

Servicio Características Equivalencia en ATM

Garantizado • Garantiza un caudal mínimo y un retardo máximo • Cada router del trayecto debe dar garantías • A veces no puede implementarse por limitaciones del medio físico (Ej. Ethernet compartida

CBR VBR-rt

Carga Controlada (‘Controlled Load’)

• Calidad similar a la de una red de datagramas poco cargada • Se supone que el retardo es bajo, pero no se dan garantías

VBR-nrt

‘Best Effort’ • Ninguna garantía (como antes sin QoS) UBR

Garantizado

Carga controlada

Best Effort

Cau

dal →

Reparto de recursos en IntServ

Tiempo →


17

IntServ y RSVP •  Para ofrecer QoS IntServ se basa en la reserva

previa de recursos en todo el trayecto •  Para esa reserva se emplea el protocolo RSVP

(Resource ReserVation Protocol) muy relacionado con el modelo IntServ

•  Se supone que la reserva permitirá asegurar la QoS solicitada (siempre y cuando la red tenga aún recursos suficientes)

•  Normalmente la reserva se realiza para una secuencia de datagramas relacionados entre sí, que es lo que llamamos un flujo.

Concepto de flujo •  Un flujo es una secuencia de datagramas que se

produce como resultado de una acción del usuario y requiere la misma QoS

•  Un flujo es simplex (unidireccional) •  Un flujo es la entidad más pequeña a la que los routers

pueden aplicar una determinada QoS •  Ejemplo: una videoconferencia estaría formada por

cuatro flujos, dos en cada sentido, uno para el audio y otro para el vídeo.

•  Los flujos pueden agruparse en clases; todos los flujos dentro de una misma clase reciben la misma QoS.


18

A 147.156.135.22

B 158.42.35.13

Flujo vídeo A->B: 147.156.135.22:2056 -> 158.42.35.13:4065 Flujo audio A->B: 147.156.135.22:3567 -> 158.42.35.13:2843 Flujo vídeo B->A: 158.42.35.13:1734 -> 147.156.135.22:6846 Flujo vídeo B->A: 158.42.35.13:2492 -> 147.156.135.22:5387

Flujos en una videoconferencia

Vídeo 128 Kb/s IP: 147.156.21.20 Puerto UDP: 2038

Vídeo 256 Kb/s IP: 147.156. 47.12 Puerto UDP: 3124

IP: 158.26.36.97 Puerto UDP: 5753

IP: 158.26.112.76 Puerto UDP: 2127

Flujo ‘rojo’ (128 Kb/s): 147.156.21.20:2038→158.26.112.76:2127

Flujo ‘verde’ (256 Kb/s): 147.156.47.12:3124→158.26.36.97:5753

Reserva total flujos de vídeo: en sentido X →Y: 384 Kb/s

X Y

Agrupación de flujos


19

Identificación de flujos •  En IPv4 se hace por:

–  Dirección IP de origen –  Puerto de origen –  Dirección IP de destino –  Puerto de destino –  Protocolo de transporte utilizado (TCP o UDP)

•  En IPv6 la identificación puede hacerse como en IPv4 o alternativamente usando el campo ‘etiqueta de flujo’ en vez de los números de puertos. Aún no hay ninguna implementación de RSVP que utilice la etiqueta de flujo.

¿Que es RSVP? •  Reserva la capacidad solicitada por un flujo en

todos los routers del camino. •  Es un protocolo de señalización (como el utilizado

para establecer SVCs en ATM). •  Requiere guardar información de estado en todos

los routers del trayecto. Es un servicio orientado a conexión.

•  Está pensado principalmente para tráfico multicast •  No es un protocolo de routing (de eso se ocupará

OSPF, IS-IS, PIM-SM, etc.


20

Componentes de RSVP •  Para implementar RSVP los routers han de incorporar cuatro

elementos: –  Admission Control: comprueba si la red tiene los recursos

suficientes para satisfacer la petición. Equivalente al CAC (Connection Admission Control) de ATM.

–  Policy Control: determina si el usuario tiene los permisos adecuados para la petición realizada (por ejemplo si tiene crédito disponible). La comprobación se puede realizar consultando una base de datos mediante el protocolo COPS (Common Open Policy Service)

–  Packet Classifier: clasifica los paquetes en categorías de acuerdo con la QoS a la que pertenecen. Cada categoría tendrá una cola y un espacio propio para buffers en el router.

–  Packet Scheduler: organiza el envío de los paquetes dentro de cada categoría (cada cola).

RSVP (Cont.)

•  RSVP reserva la capacidad solicitada en todos los routers del camino.

•  Cada router ha de mantener el detalle de todas las conexiones activas que pasan por él, y los recursos que cada una ha reservado. El router mantiene información de estado sobre cada flujo que pasa por él.

•  Si no se pueden asegurar las condiciones pedidas se rechaza la llamada (control de admisión)


21

Problemas de IntServ/RSVP

•  RSVP produjo una euforia inicial (1996-1997) que luego dió paso a la decepción.

•  La razón principal fueron problemas de escalabilidad debidos a la necesidad de mantener información de estado en cada router. Esto hace inviable usar RSVP en grandes redes, por ejemplo en el ‘core’ de Internet.

Problema de escalabilidad de RSVP

Estos routers han de mantener información sobre muchos flujos y por

tanto mucha información de estado

‘Core’ de Internet


22

Problemas de IntServ/RSVP •  Los fabricantes de routers no han desarrollado

implementaciones eficientes de RSVP, debido al elevado costo que tiene implementar en hardware las funciones de mantenimiento de la información de estado.

•  A pesar de todo RSVP/IntServ puede desempeñar un papel en la red de acceso, donde los enlaces son de baja capacidad y los routers soportan pocos flujos.

•  Recientemente ha resurgido el interés por RSVP por su aplicación en MPLS y funciones de ingeniería de tráfico. En estos casos el número de flujos no suele ser muy grande

Emisor (flujo de 1,5 Mb/s)

Receptor Receptor Receptor

Funcionamiento de RSVP en Multicast

• Las reservas se agregan a medida que ascienden en el árbol multicast.

• Así se optimiza el uso de la red (solo se reserva una vez en cada tramo).

1,5 Mb/s

1,5 Mb/s

1,5 Mb/s 1,5 Mb/s

1,5 Mb/s


23

Problemas de RSVP en Multicast

•  La combinación de Multicast y RSVP plantea algunos problemas no resueltos, por ejemplo: –  ¿Por cuenta de que receptor se efectúa el Policy Control

en la parte común del árbol? Si se concede la reserva al primer solicitante, ¿que pasa cuando ese se borra del grupo y quedan otros suscritos? Si no se le concede al primero, ¿que pasa si luego se le concede a otro solicitante?

–  Suponiendo que se cobre por el servicio ¿A quién se le factura el uso de la parte común? ¿se prorratea entre todos los usuarios activos en ese momento? Eso significa que el precio cambiará con el uso.

Sumario





24

Modelo DiffServ (Differentiated Services)

•  Intenta evitar los problemas de escalabilidad que plantea IntServ/RSVP.

•  Se basa en el marcado de paquetes únicamente. No hay reserva de recursos por flujo, no hay protocolo de señalización, no hay información de estado en los routers.

•  Las garantías de calidad de servicio no son tan severas como en IntServ pero en muchos casos se consideran suficientes.

DiffServ •  En vez de distinguir flujos individuales clasifica los

paquetes en categorías (según el tipo de servicio solicitado).

•  A cada categoría le corresponde un SLA (Service Level Agreement). Los usuarios pueden contratar o solicitar un determinado caudal en la categoría que deseen.

•  Los routers tratan cada paquete según su categoría (que viene marcada en la cabecera del paquete). El Policy Control/Admission Control sólo se ha de efectuar en los routers de entrada a la red del proveedor y en los que atraviesan fronteras entre proveedores diferentes (normalmente en las fronteras entre sistemas autónomos).


25

DiffServ

•  La información se puede sumarizar fácilmente ya que todos los flujos quedan clasificados en alguna de las categorías existentes.

•  El número de categorías posibles es limitado e independiente del número de flujos o usuarios; por tanto la complejidad es constante, no proporcional al número de usuarios (decimos que la arquitectura es ‘escalable’, o que ‘escala bien’).

•  La información de QoS no está en los routers sino que cabalga ‘montada’ en los datagramas.

calidad de servicio (qos) esión 3 nelson josé pérez díaz filecalidad de servicio (qos) 3...

Documents