Requerimientos de Calidad de Servicio de las aplicaciones Aplicación Confiabilidad Retardo Fluctuación Ancho de Banda Correo electrónico Alta Alto Baja Bajo
Calidad de Servicio Ing. Elizabeth Guerrero V.
¿Necesitamos QoS en el mundo IP? Sistemas Cooperativos
Teletrabajo
Telemedicina
Video bajo Demanda
Bases de Datos
Audio Conferencia
Video Conferencia
Transferencias de Ficheros
DEMANDA ACTUAL
Tecnologías de comunicaciones con elevadas prestaciones
WWW.
Aplicaciones Clásicas
Aplicaciones con Información Multimedia
Pizarras Compartidas
¿Necesitamos QoS en el mundo IP? • La plaga de Internet son las Congestiones continuas – Demanda de Tráfico = ó > ancho de banda – ”Best-effort" es el diseño utilizado actualmente en el diseño de Internet Protocol (IP) • Aparición de nuevas aplicaciones con requerimientos críticos (ejemplo: voz y video sobre IP). – Las empresas demandan Service Level Agreements (SLAs) con su operador, valor añadido, medida de calidad . – A mayor implantación de Internet mayores servicios son demandados
Antecedente • A finales de los 90, con advenimiento de las redes IP como ganadoras en la carrera por la supremacía de la Convergencia de Voz, Video y Datos, se volvió trascendental el término Calidad de Servicio (QoS) • Es debido a que las redes IP eran envariablemente “redes del mejor esfuerzo” y carecian de la QoS necesaria para las nuevas aplicaciones de real time. • Desafío: Convertir las redes IP en modelos de servicios diferenciados
Definición de QoS • “La calidad de servicio (QoS) es el efecto global de la calidad de funcionamiento de un servicio que determina el grado de satisfacción de un usuario de un servicio.” (Recomendación ITU-T E.800) • El usuario estará satisfecho cuando su percepción del servicio supere (o al menos iguale) sus expectativas. • Objetivo: reducir los desajustes entre las expectativas y la percepción.
Definición de QoS • En Telemática: • “Es la capacidad de un elemento de red (bien sea una aplicación, un servidor, un enrutador, un conmutador, etc.) de asegurar que su tráfico y los requisitos del servicio previamente establecidos puedan ser satisfechos”. • Calidad de Servicio en Redes de Datos • http://qos.iespana.es/
Requerimientos • Un flujo es un conjunto de paquetes que van de un origen a un destino. • En una red orientada a conexión, todos los paquetes que pertenezcan a un flujo siguen la misma ruta. • En una red sin conexión pueden seguir diferentes rutas.
Requerimientos • La necesidad de cada flujo se pueden caracterizar por 4 parámetros principales: – Confiabilidad, – Retardo – Fluctuación y – Ancho de Banda
• Estos parámetros en conjunto determinan la QoS que el flujo requiere
Requerimientos • Cada aplicación precisa de unos parámetros de servicio particulares para que sea posible que se establezca con las garantías suficientes
Requerimientos de Calidad de Servicio de las aplicaciones Aplicación
Confiabilidad
Retardo
Fluctuación
Ancho de Banda
Correo electrónico
Alta
Alto
Baja
Bajo
Transferencia de ficheros
Alta
Alto
Baja
Medio
Acceso Web
Alta
Medio
Baja
Medio
Sesión remota
Alta
Medio
Media
Bajo
Audio bajo demanda
Baja
Bajo
Alta
Medio
Vídeo bajo demanda
Baja
Bajo
Alta
Alto
Telefonía
Baja
Alto
Alta
Bajo
Vídeoconferencia
Baja
Bajo
Alta
Alto
Parámetros que definen el QoS Reserva de Ancho de Banda: Garantiza que se transmita cierta cantidad de datos en un tiempo determinado. Permite que proveedores de ATM puedan garantizar un mínimo de Ancho de Banda y de servicios. Se logra mediante identificadores de cabecera de los paquetes y se utiliza para dar prioridad al tráfico de un determinado tipo de archivos (video, sonido, voz, etc.), reservando en el momento del envío un determinado ancho de banda para estos archivos, siempre y cuando estos los soliciten. Retardo Extremo a Extremo: Puede ocurrir que los paquetes tomen un largo periodo en alcanzar su destino debido a largas colas o tomen rutas menos directas para prevenir la congestión de la red. Los retardos inutilizan aplicaciones (VoIP o Juegos en Línea). Los servicios en tiempo real y multimedia son sensibles a retardos.
Parámetros que definen el QoS Jitter: Es un cambio indeseado y abrupto de la propiedad de la señal. Variación en el tiempo de la llegada de los paquetes, causada por congestión de red, perdida de sincronización o por las diferentes rutas seguidas por los paquetes para llegar a su destino.
Una red con fluctuación cero tarda exactamente el mismo tiempo en transferir cada paquete, mientras que una red con fluctuación alta tarda mucho más en entregar algunos paquetes que otros. La fluctuación es importante al enviar audio o vídeo, que deben llegar a intervalos regulares.
Parámetros que definen el QoS Tasa de Error: Paquetes mal dirigidos, combinados entre si o corrompidos cuando se enrutan. El receptor tiene que detectarlos y justo cuando el paquete es liberado, pregunta al transmisor para repetirlo. Texto: Los paquetes con errores pueden ser retransmitidos. Audio/Video: Pueden ser descartados, porque los paquetes retransmitidos llegan fuera del orden correcto. El nivel de errores se dispara por el “BIT ERROR RATE” (BER) . En un periodo de tiempo dado, el BER se obtiene: Errores Detectados BER = -------------------------N° Total de bits Tx
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).
SLA
• El contrato que especifica los parámetros de QoS acordados entre el proveedor y el usuario (cliente) se denomina SLA (Service Level Agreement) 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
Parámetros típicos de un SLA
Ideas para proveer QoS • Controlar el número de usuarios que acceden al medio – No se puede proveer garantía de servicio si hay más usuarios que recursos en la red. – Si no existen recursos suficiente no se puede admitir más tráfico. • Limitar el tráfico inyectado en la red por los usuarios – Marcar el tráfico de los usuarios o de las aplicaciones. – Verificar que el tráfico que están transmitiendo los usuarios es el correcto por contrato. – Tráfico que es excedido por contrato puede ser eliminado. • Gestión de colas inteligente en los router intermedios
Efectos de la congestión en el tiempo de servicio y el rendimiento Congestión Fuerte
Sin Congestión Congestión Moderada
Congestión Fuerte
Rendimiento
Tiempo de Servicio
Sin Congestión Congestión Moderada
Carga
QoS inútil
QoS útil y viable
QoS inviable
QoS inútil
QoS útil y viable
QoS inviable
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.
¿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)
¿Cómo se consigue?
Importancia de QoS La QoS tiene cuatro variantes : 1. La QoS que el usuario desea 2. La QoS que el proveedor ofrece 3. La QoS que el proveedor consigue realmente 4. La QoS que finalmente, percibe el usuario 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”.
Importancia de QoS
BEST EFFORT: Mejor Esfuerzo. Es una forma de prestar aquellos servicios para los que no existe una garantía de calidad de servicio (QoS).
Modelos de QoS • 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
Modelos de QoS • 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
Tipos de servicio en IntServ Servicio
Características
Equivalencia en ATM
Garantizado
•Garantiza un caudal mínimo y un CBR retardo máximo VBR-rt •Cada router del trayecto debe dar garantías •A veces no puede implementarse por limitaciones del medio físico (Ej. Ethernet compartida
Carga Controlada •Calidad similar a la de una red de datagramas poco cargada (‘Controlled Load’) •Se supone que el retardo es bajo, pero no se dan garantías
VBR-nrt
‘Best Effort’
UBR
•Ninguna garantía (como antes sin QoS) Ampliación Redes 4-25
Reparto de recursos en IntServ
Caudal
Best Effort
Carga controlada
Garantizado Tiempo Ampliación Redes 4-26
Clasificación de las aplicaciones en IntServ (Integrated Services) Tolerantes a pérdidas Elásticas Datos UDP: DNS, SNMP, NTP, etc. Tiempo Real
Flujos Multimedia en modo ‘streaming’, videoconferencia, telefonía sobre Internet, etc.
Intolerantes a pérdidas Datos sobre TCP: FTP, Web,e-mail, etc. Emulación de circuitos (simulación de líneas dedicadas)
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. Ampliación Redes 4-28
Ventajas de IntServ • Simplicidad conceptual, que facilita que toda la red mantenga una politica de administración integrada • La posibilidad de crear reglas para flujos discretos, lo que posibilita la generación de llamadas de voz, • La capacidad de control de admisión de llamadas (CAC), lo que permite conocer a los nodos extremos sobre la disponibilidad de ancho de banda
Desventajas de IntServ • Todos los elementos deben mantener el estado e intercambiar mensajes de señalización por cada flujo que manejen. • Se necesitan mensajes periódicos de refresco para mantener las sesiones, lo que aumenta el tráfico en la red y es suceptible a perdidas de paquetes • Todos los nodos intermedios deben tener RSVP en sus funciones
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).
Ampliación Redes 4-32
DiffServ • Tipicamente divide la red en: 1. Borde: se analizan los paquetes para determinar de donde y para donde va el tráfico, cuales son los servicios y aplicaciones involucradas. 2. Núcleo: determina la prioridad en el reenvío de los paquetes y/o su descarte
Tipos de Servicio en DiffServ Servicio
Características
Equivalencia en ATM
‘Expedited Forwarding’ o ‘Premium’
•Es el que da más garantías. Equivale a una línea dedicada •Garantiza Caudal, tasa de pérdidas, retardo y jitter •Valor 101110 en DSCP
CBR VBR-rt
‘Assured Forwarding’
•Asegura un trato preferente, pero sin fijar garantías (no hay SLA) •Se definen cuatro clases y en cada una tres niveles de descarte de paquetes
VBR-nrt
‘Best Effort’ con prioridad
•Sin garantías, pero obtendrá trato preferente frente a ‘best effort sin prioridad’
ABR
‘Best Effort’ sin •Ninguna garantía, obtiene solo las migajas UBR prioridad
Reparto de recursos en DiffServ
Best Effort sin prioridad
Caudal
Best Effort con prioridad
Assured Forwarding Expedited Forwarding o Premium
Tiempo
Ventajas DiffServ • Escalabilidad, ya que no necesita mantener estados ni información de flujos • Desempeño, los paquetes solo son inspeccionados una sola vez cuando se produce la clasificación • Interoperabilidad, todos los dispositivos funcionan en protocolo IP • Flexibilidad, los nodos tienen la libertad de implementar cualquier procedimiento de QoS
Desventajas DiffServ • Los servicios no están estrictamente garantizados, ya que al no haber reserva de AB entre extremos, cualquier nodo mal configurado puede descartar flujos de clases establecidas
IntServ vs DiffServ • IntServ fue desarrollado con anterioridad a DiffServ. Sin embargo DiffServ se ha extendido más que IntServ • DiffServ permite agregar flujos, el modelo es escalable. • Debido a estas diferencias muchos fabricantes de routers implementan versiones eficientes de DiffServ, pero no de IntServ. • Actualmente muchos ISP implementan DiffServ. • Qbone (red expermiental de QoS en Internet 2) utiliza el modelo DiffServ.
Combinación de RSVP y DiffServ RSVP
RSVP
DiffServ
RSVP
RSVP
En la periferia de la red el uso de RSVP no plantea problemas y puede ser necesaria la reserva estricta de recursos. En este caso el router que conecta con el núcleo ‘traducirá’ la petición al servicio DiffServ más parecido.
Soluciones para mejorar QoS en redes de datos Control y Optimización del Ancho de Banda Permite obtener la máxima performance y valor de las aplicaciones y tecnologías, monitorean, comprimen y controlan el uso de ancho de banda de los enlaces para alinear los recursos WAN con los de la Red Gestionada con QoS. Monitoreo de Redes Permiten una visión clara e integral de las actividad de red general con monitoreo, alertas y comprensión de eventos inusuales en tiempo real, para realizar pronósticos y así evitar posibles congestiones en la red.
Soluciones para mejorar QoS en redes de datos Optimización/Aceleración de Enlaces Permite ofrecer una compresión de datos y un almacenamiento de contenido estático y dinámico en caché de gran eficiencia para acelerar el tiempo de respuesta de las aplicaciones. Las optimizaciones de TCP superan los problemas ocasionados por las conexiones de red congestionadas y con gran retardo. Analizador de Protocolos Son equipos que permiten el análisis y la auditoria de red que emplean distintas interfaces para los distintos segmentos del usuario, ofreciendo una consola clara y sencilla que muestra la información que el usuario necesita.
