Ampliacin Redes 41

1
Tema 4Calidad de Servicio (QoS)
2
Sumario

• 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

3
Requerimientos de Calidad de Servicio de las
aplicaciones
() La fiabilidad alta en estas aplicaciones se
consigue automáticamente al utilizar el protocolo
de transporte TCP
4
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).

5
Efectos de la congestión en el tiempo de servicio
y el rendimiento
Sin Congestión
Congestión Fuerte
Congestión Moderada
Sin Congestión
Congestión Fuerte
Congestión Moderada
Tiempo de Servicio
Rendimiento
Carga
Carga
QoS útil y viable
QoS inútil
QoS inviable
QoS útil y viable
QoS inútil
QoS inviable
6
Calidad de Servicio (QoS)

• 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)

7
Parámetros típicos de los SLAs
8
Fluctuación del retardoJitter
Emisor
Receptor
Red
A
B
C
Emisor Transmite
t
A
B
C
Receptor Recibe
t
50 ms
50 ms
90 ms
Congestión
Red vacía
Retardo 70 ms ? 20 ms (retardo 70 ms, jitter
40 ms)
9
Relación entre la probabilidad de llegada de los
datagramas y los parámetros del SLA
Probabilidad
El tiempo mínimo de propagación depende de las
características físicas de la red
Retardomínimo
Tiempo
Jitter
Retardomedio
Datagramas considerados perdidos por haberse
entregado demasiado tarde
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

11
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.

12
Reserva o Prioridad?
13
Sumario

• 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

14
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).

15
Etiquetado de tramas según 802.1Q
Trama 802.3
Trama 802.1Q
El Ethertype X8100 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)
16
Sumario

• 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

17
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

18
Calidad de Servicio en Internet
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
19
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

20
Sumario

• 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

21
Clasificación de las aplicaciones en IntServ
(Integrated Services)
22
Tipos de servicio en IntServ
23
Reparto de recursos en IntServ
Best Effort
Caudal ?
Carga controlada
Garantizado
Tiempo ?
24
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.

25
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.

26
Flujos en una videoconferencia
A 147.156.135.22
B 158.42.35.13
Flujo vídeo A-gtB 147.156.135.222056 -gt
158.42.35.134065 Flujo audio A-gtB
147.156.135.223567 -gt 158.42.35.132843 Flujo
vídeo B-gtA 158.42.35.131734 -gt
147.156.135.226846 Flujo vídeo B-gtA
158.42.35.132492 -gt 147.156.135.225387
27
Agrupación de flujos
Flujo rojo (128 Kb/s) 147.156.21.202038?158.
26.112.762127
Reserva total flujos de vídeo en sentido X ?Y
384 Kb/s
Vídeo 128 Kb/s IP 147.156.21.20 Puerto UDP 2038
IP 158.26.112.76 Puerto UDP 2127
X
Y
Flujo verde (256 Kb/s) 147.156.47.123124?158.2
6.36.975753
IP 158.26.36.97 Puerto UDP 5753
Vídeo 256 Kb/s IP 147.156. 47.12 Puerto UDP 3124
28
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.

29
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.

30
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).

31
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)

32
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.

33
Problema de escalabilidad de RSVP
Estos routers han de mantener información sobre
muchos flujos y por tanto mucha información de
estado
Core de Internet
34
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

35
Funcionamiento de RSVP en Multicast
Emisor (flujo de 1,5 Mb/s)
1,5 Mb/s

• 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
Receptor
Receptor
Receptor
36
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.

37
RFCs sobre IntServ/RSVP

• RFC 1633 (6/1994) Integrated Services in the
  Internet Architecture an Overview
• RFC 2205 (9/1997) RSVP Version 1 Functional
  Specification
• RFC 2206 (9/1997) RSVP MIB using SMIv2
• RFC 2207 (9/1997) RSVP Extensions for IPSEC Data
  Flows
• RFC 2208 (9/1997) RSVP Version 1 Applicability
  Statement Some Guidelines on Deployment
• RFC 2209 (9/1997) RSVP Version 1 Message
  Processing Rules
• RFC 2210 (9/1997) The Use of RSVP with IETF
  Integrated Services
• RFC 2211 (9/1997) Servicio de carga controlada
• RFC 2212 (9/1997) Servicio Garantizado
• RFC 2213 (9/1997) Integrated Services Management
  Information Base Using SMIv2
• RFC 2214 (9/1997) Integrated Services MIB
  Guaranteed Service Extensions using SMIv2
• RFC 2215 (9/1997) General Characterization
  Parameters for Integrated Services
• RFC 2379 (8/1998) RSVP over ATM Implementation
  Guidelines
• RFC 2380 (8/1998) RSVP over ATM Implementation
  Requirements
• RFC 2382 (8/1998) A Framework for Integrated
  Services and RSVP over ATM
• RFC 2490 (1/1999) A Simulation Model for IP
  Multicast with RSVP
• RFC 2688 (9/1997) Integrated Services Mappings
  for Low Speed Networks
• RFC 2689 (9/1999) Providing Integrated Services
  over Low-bitrate Links
• RFC 2745 (1/2000) RSVP Diagnostic Messages

38
Sumario

• 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

39
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.

40
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).

41
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.

42
Cabecera IPv4 antes de DiffServ
Cabecera IPv4 con DiffServ (RFC2474, 12/1998)
43
Campo TOS (obsoleto)
Campo TOS
X
Precedencia
D
T
R
C

• Precedencia prioridad (ocho niveles)
• D,T,R,C flags para indicar la ruta que se quiere
  utilizar
• D Delay (mínimo retardo)
• T Throughput (máximo rendimiento)
• R Reliability (máxima fiabilidad)
• C Cost (mínimo costo)
• X bit reservado

44
Campo DS (RFC 2474)
DSCP
CU
Campo DS

• DSCP Differentiated Services CodePoint. Seis
  bits que indican el tratamiento que debe recibir
  este paquete en los routers
• CU Currently Unused (reservado). Este campo se
  utiliza actualmente para control de congestión

45
Campo DS en IPv6

• El campo DS, con igual longitud y formato que en
  IPv4, se coloca en IPv6 sustituyendo al campo
  prioridad (de 4 bits) y a los cuatro primeros
  bits del campo etiqueta de flujo que se reduce
  de 24 a 20 bits.
• Los cambios no produjeron problemas ya que
  ninguno de los dos campos (prioridad ni etiqueta
  de flujo) se había utilizado.

46
Cabecera IPv6 antes de DiffServ (RFC 1883)
Cabecera IPv6 con DiffServ (RFC2474, 12/1998)
47
Aparición del campo DS en IPv4 e IPv6
IPv4 Antes
IPv4 e IPv6 Ahora
IPv6 Antes
Los tres primeros bits se interpretan como
prioridad en todos los casos
48
Campo DSCP

• 6 bits 64 codepoints (categorías de tráfico)
  diferentes.
• De momento se han dividido en 3 grupos

En el grupo estándar los tres primeros bits (xxx)
indican la clase
49
Tipos de Servicio en DiffServ
50
Reparto de recursos en DiffServ
Best Effort sin prioridad
Best Effort con prioridad
Caudal ?
Assured Forwarding
Expedited Forwarding o Premium
Tiempo ?
51
Servicio EF (Expedited Forwarding, RFC2598)

• Es el que da más seguridad (virtual leased
  line).
• Ofrece un SLA (Service Level Agreement) que
  garantiza
• Un caudal mínimo
• Una tasa máxima de pérdida de paquetes
• Un retardo máximo
• Un jitter máximo
• El valor DSCP es 101110

52
Servicio AF (Assured Forwarding, RFC2597)

• Asegura un trato preferente, pero no garantiza
  caudales, retardos, etc.
• Se definen cuatro clases, pudiéndose asignar una
  cantidad de recursos (ancho de banda y espacio en
  buffers) diferente a cada una.
• En cada clase se definen tres categorías de
  descarte de paquetes (alta, media y baja).
• DSCP cccdd0 (ccc clase, dd descarte)

53
Codepoints del Servicio AF (RFC2597)
Mayor probabilidad de descarte
Menor probabilidad de descarte
Mayor prioridad
Menor prioridad
54
Traffic Policing en Servicio AF

• En el servicio AF el usuario puede contratar con
  el ISP un caudal para una clase determinada.
• El ISP puede aplicar traffic policing sobre el
  tráfico del usuario y si se excede jugar con los
  bits de precedencia de descarte, usándolos de
  forma parecida al bit DE de Frame Relay o al CLP
  de ATM. En DiffServ se pueden fijar tres
  categorías, en función de lo gorda que sea la
  infracción.

55
Otros codepoints

• Las clases 111 y 110 están reservadas para
  paquetes de control de la red y protocolos de
  routing
• El DSCP 000000 es por defecto el servicio Best
  Effort sin prioridad.
• Otros DSCP de la clase 000 pueden usarse para
  servicios Best Effort con prioridad.

56
Valores de codepoint, campo DSCP
57
Implementación de DiffServ en los routers
Identificar y separar tráfico en las diferentes
clases
Descartar tráfico que se comporta mal para
garantizar la integridad de la red
Marcar tráfico, si es necesario. Asigna al DSCP
el valor que corresponde
Priorizar, proteger y aislar tráfico
Controlar ráfagas y conformar tráfico
58
Encolamiento de paquetes en los routers
Cola Expedited
Cola Assured 4
PQ
Cola Assured 3
WFQ
Línea de salida
Cola Assured 2
FWFQ
Cola Assured 1
Cola Best Effort
59
DiffServ

• La información necesaria para aplicar el Policy
  Control y Administrative Control es mantenida
  para toda la red por un elemento denominado el
  Bandwidth Broker (BB).
• El BB es el encargado de realizar todos los
  controles administrativos y gestionar los
  recursos de red disponibles. El BB puede
  intercambiar información con otros BB de otras
  redes.
• Los ISPs pueden acordar políticas de intercambio
  mutuo.

60
Arquitectura DiffServ
Bandwidth Brokers (control de admisión,
gestionar recursos de red, configurar routers
periféricos y fronterizos)
Origen
Destino
BB
BB
AS ISP 1
AS ISP 2
Routers core
Routers core
Router fronterizo entrante (classificar,
controlar, marcar aggregados)
Router fronterizo saliente(dosificar agregados)
Router periférico (controlar, marcar flujos)
Controlar traffic policing Dosificar traffic
shaping
61
RFCs Modelo Diffserv

• RFC 2430 (10/1998) A Provider Architecture for
  DiffServ and Traffic Eng.
• RFC 2474 (12/1998) Definition of the DS field in
  the IPv4 and IPv6 Headers
• RFC 2475 (12/1998) An Architecture for
  Differentiated Service
• RFC 2597 (6/1999) Servicio Expedited Forwarding
• RFC 2598 (6/1999) Servicio Assured Forwarding
• RFC 2638 (7/1999) A Two-bit DiffServ
  Architecture for the Internet
• RFC 2963 (10/2000) A Rate Adaptive Shaper for
  Differentiated Services
• RFC 2983 (10/2000) Differentiated Services and
  Tunnels
• RFC 3086 (4/2001) Def. of DiffServ Per Domain
  Behaviors Rules for Spec.
• RFC 3270 (5/2002) MPLS Support of DiffServ
• RFC 3287 (7/2002) Remote Monitoring MIB
  Extensions for DiffServ
• RFC 3289 (5/2002) Management Information Base
  for the DiffServ Architect.

62
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.

63
RSVP/IntServ vs DiffServ
RSVP/IntServ

• Información por flujo en cada router
• Problemas de escalabilidad
• Énfasis en multicast

DiffServ
BB
BB

• Cada red tiene un BB que gestiona sus recursos
• Recursos controlados en punto de acceso
• Paquetes clasificados por categorías
• Enfocado a tráfico agregado, no a flujos

64
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 core traducirá la
petición al servicio DiffServ más parecido.
65
Referencias QoS

• Quality of Service-Fact or Fiction? Geoff
  Huston, Internet Protocol Journal Vol. 3 Nº 1.
  http//www.cisco.com/warp/public/759/ipj_3-1/ipj_3
  -1_qos.html
• Intserv http//www.ietf.org/html.charters/intserv
  -charter.html
• RSVP http//www.ietf.org/html.charters/rsvp-chart
  er.html . Ver también http//www.isi.edu/rsvp/pub
  .html
• Diffserv http//www.ietf.org/html.charters/diffse
  rv-charter.html
• Grupo de Trabajo QoS Internet2
  http//www.internet2.edu/qos/wg
• Qbone http//qbone.internet2.edu
• B. Teitelbaum Internet 2 Qbone A Test Bed for
  Differentiated Services, http//www.isoc.org/inet
  99/proceedings/4f/4f_1.htm
• Proyecto Quantum http//www.dante.net/quantum

66
Sumario

• 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

67
Control de congestión en Internet

• El mecanismo tradicional de control de congestión
  en IP es el control que ejerce TCP por medio del
  slow-start. Este mecanismo solo actúa cuando ya
  se ha perdido algún paquete
• Cuando los routers empiezan a descartar por
  llenado de buffers suelen descartar todos los
  paquetes que les llegan. Esto hace que todas las
  sesiones TCP ejecuten el slow-start y se cae en
  un comportamiento oscilante. El rendimiento es
  malo.
• Se ha visto que el rendimiento global mejora si
  se descartan algunos paquetes (al azar) bastante
  antes de llenar los buffers. Esto obliga a
  algunas sesiones a realizar el slow-start, pero
  no todas a la vez. Esto se conoce como RED
  (Random Early Detect o Random Early Discard)

68
Mecanismos de Control de Congestión en Internet
69
ECN en Internet

• El RFC 2481(1/1999) definió el uso de los dos
  bits libres del campo DS para el subcampo ECN
  (Explicit Congestion Notification). También se
  añadieron dos flags en la cabecera TCP. Se
  especificó como un protocolo Experimental
• El RFC 3168 (7/2001) deja obsoleto al RFC 2481,
  eleva el ECN al status de Standards Track y
  aclara algunos puntos
• Ya hay algunas implementaciones de ECN (Linux)

70
Campo ECN en IP (RFC 3168)
DSCP
ECN
71
Formato de los bytes 13 y 14 en la cabecera TCP
Antes de ECN
4 bits
6 bits
6 bits
Flags
Después de ECN
4 bits
4 bits
8 bits
Flags
CWR Congestion Window Reduced ECE ECN Echo
72
Funcionamiento de IP y TCP con ECN
1 A envía un paquete a B IP ECN 10 TCP CWR
0, ECE 0
2 Router Y recibe el paquete, detecta congestión
y cambia ECN IP ECN 11
3 B recibe el paquete y detecta que ha habido
congestión en el camino (ECN 11)
1
2
3
A
B
X
Y
Z
4
5
4 TCP de B envía paquete de aviso a A IP ECN
10 TCP CWR 0, ECE 1
6
5 A recibe aviso de B (ECE 1)
7
6 TCP de A reduce su ventana y envía
confirmación a B indicando que ha recibido el
aviso IP ECN 10 TCP CWR 1, ECE 0
7 B recibe confirmación (CWR 1) y se queda
tranquilo (sabe que no ha de insistir con ECE 1)
73
ECN en una red que engaña al host
1 A envía paquete a B IP ECN 10 TCP CWR
0, ECE 0
3 Router Z recibe paquete, pone ECN 10 y lo
envía a B
2 Router X pone ECN 00 y lo envía
Red del ISP
1
3
A
2
B
X
Y
Z
Router frontera de ISP
Router frontera de ISP
Host B nunca detecta congestión, por tanto nunca
pone a 1 flag ECE
Cuando router Y sufra congestión descartará
paquetes (nunca cambiará ECN pues la red no lo
soporta)
74
ECN alternativo

• El caso alternativo funciona igual, salvo que el
  host pone el segundo bit y el router el primero
• Con dos posibles maneras de marcar el soporte de
  congestión en el host resulta mucho más difícil
  para el ISP engañar al usuario
• Por ejemplo en el caso anterior el router Z no
  sabe si ha de restaurar el ECN 10 o el 01.
  Para saberlo tendría que preguntar al router de
  entrada (X) y mantener ambos información de
  estado para cada conexión TCP activa

75
Funcionamiento de ECN

• El bit de congestión de ECN equivale en IP a
• El bit EFCI de ATM (bit intermedio del campo PTI,
  EFCIExplicit Forward Congestion Indication)
• El bit FECN (Forward Explicit Congestion
  Notification) de Frame Relay

76
Sumario

• 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

77
Policy routing El problema del pez
El ISP no puede controlar en X que solo vaya por
la ruta de alta capacidad el tráfico dirigido a
C desde A y no el de B
Enlaces de alta capacidad
Problema
Usuario A Tarifa premium
Y
A
Backbone del ISP
Usuario C
C
Z
X
V
Usuario B Tarifa normal
W
B
Enlaces de baja capacidad
Al crear diferentes PVCs el ISP puede separar
fácilmente el tráfico de A del de B
Solución ATM
PVC A-C
Usuario A Tarifa premium
Y
A
Backbone del ISP
X
Usuario C
C
Z
V
W
Usuario B Tarifa normal
B
Este es un ejemplo de lo que se denomina
Ingeniería de Tráfico
PVC B-C
78
Problema de los routers IP

• Es difícil encaminar eficientemente los
  datagramas cuando hay que respetar reglas
  externas, ajenas a la dirección de destino, es
  decir hay que hacer policy routing o
  enrutamiento por políticas de uso
• Resulta difícil hacer Gigarouters eficientes que
  respeten el policy routing
• Esto es especialmente crítico en los enlaces
  troncales de las grandes redes.
• ATM puede resolver el problema gracias a la
  posibilidad de fijar la ruta de los datagramas
  mediante el establecimiento del VC

79
ATM vs IP

• Ventajas de ATM
• Rápida conmutación (consulta en tabla de VPI o
  VPI/VCI)
• Posibilidad de fijar la ruta según el origen
  (ingeniería de tráfico)

• Inconvenientes de ATM
• SAR (segmentación y reensamblado). Solo se da en
  el origen y destino.
• Overhead (?13) debido al Cell tax (cabecera)
  encapsulado AAL5, etc.

80
MPLS

• MPLS (Multiprotocol Label Switching) intenta
  conseguir las ventajas de ATM, pero sin sus
  inconvenientes
• Asigna a los datagramas de cada flujo una
  etiqueta única que permite una conmutación rápida
  en los routers intermedios (solo se mira la
  etiqueta, no la dirección de destino)
• Las principales aplicaciones de MPLS son
• Funciones de ingeniería de tráfico (a los flujos
  de cada usuario se les asocia una etiqueta
  diferente)
• Policy Routing
• Servicios de VPN
• Servicios que requieren QoS

81
Solución MPLS al problema del pez
Las etiquetas solo tienen significado local y
pueden cambiar a lo largo del trayecto (como los
VPI/VCI de ATM)
?
?
4
Usuario A Tarifa premium
5
?
Y
?
?
A
?
C
Usuario C
Z
X
3
7
?
?
?
2
Usuario B Tarifa normal
B
?
?
W
V
?
?
C ha de distinguir de algun modo los paquetes que
envía hacia A o B (puede usar subinterfaces
diferentes)
Los routers X y Z se encargan de etiquetar los
flujos según origen-destino
82
Terminología MPLS

• FEC (Forwarding Equivalence Class) conjunto de
  paquetes que entran en la red MPLS por la misma
  interfaz, que reciben la misma etiqueta y por
  tanto circulan por un mismo trayecto. Normalmente
  se trata de datagramas que pertenecen a un mismo
  flujo. Una FEC puede agrupar varios flujos, pero
  un mismo flujo no puede pertenecer a más de una
  FEC al mismo tiempo.
• LSP (Label Switched Path) camino que siguen por
  la red MPLS los paquetes que pertenecen a la
  misma FEC. Es equivalente a un circuito virtual
  en ATM o Frame Relay.
• LSR (Label Switching Router) router que puede
  encaminar paquetes en función del valor de la
  etiqueta MPLS
• LIB (Label Information Base) La tabla de
  etiquetas que manejan los LSR. Relaciona la
  pareja (interfaz de entrada - etiqueta de
  entrada) con (interfaz de salida - etiqueta de
  salida)
• Los LSR pueden ser a su vez de varios tipos
• LSR Interior el que encamina paquetes dentro de
  la red MPLS. Su misión es únicamente cambiar las
  etiquetas para cada FEC según le indica su LIB
• LSR Frontera de ingreso los que se encuentran en
  la entrada del flujo a la red MPLS (al principio
  del LSP). Se encargan de clasificar los paquetes
  en FECs y poner las etiquetas correspondientes.
• LSR Frontera de egreso Los que se encuentran a
  la salida del flujo de la red MPLS (al final del
  LSP). Se encargan de eliminar del paquete la
  etiqueta MPLS, dejándolo tal como estaba al
  principio

83
Terminología MPLS
LSPs
LIB
FECs
Router IP ordinario (no MPLS enabled)
?
?
5
4
?
?
Y
?
?
A
Routers IP ordinarios (no MPLS enabled)
C
Z
?
X
7
3
?
?
?
?
2
?
B
?
W
V
LIB
LIB
LSR Frontera de ingreso
LSR Frontera de egreso
LSRs Interiores (V, W, Y)
84
Creación de los LSP (Label Switched Path)

• Se puede hacer
• Por configuración, de forma estática (equivalente
  a los PVCs en ATM)
• Por un protocolo de señalización
• LDP Label Distribution Protocol
• RSVP mejorado
• El enrutamiento del LSP se hace en base a la
  información que suministra el protocolo de
  routing, normalmente IS-IS o (más raramente)
  OSPF.
• Siempre se usan algoritmos del estado del enlace,
  que permiten conocer la ruta completa y por tanto
  fijar reglas de ingeniería de tráfico.
• Si una vez fijado el LSP falla algún enlace hay
  que crear un nuevo LSP por otra ruta para poder
  pasar tráfico

85
Clasificación del tráfico en FECs

• Se puede efectuar en base a diferentes criterios,
  como por ejemplo
• Dirección IP de origen o destino (dirección de
  host o de red)
• Número de puerto de origen o destino (a nivel de
  transporte)
• Campo protocolo de IP (TCP UDP ICMP, etc.)
• Valor del campo DSCP de DiffServ
• Etiqueta de flujo en IPv6

86
MPLS

• MPLS funciona sobre multitud de tecnologías de
  nivel de enlace líneas dedicadas (PPP), LANs,
  ATM o Frame Relay.
• En ATM y Frame Relay la etiqueta MPLS ocupa el
  lugar del campo VPI/VCI o en el DLCI
• La etiqueta MPLS se coloca delante del paquete de
  red y detrás de la cabecera de nivel de enlace.
• Las etiquetas pueden anidarse, formando una pila.
  Esto permite ir agregando (o segregando) flujos.
  El mecanismo es escalable.

87
Formato de la etiqueta MPLS
Bits ?
20
3
1
8
Etiqueta Exp S TTL
La etiqueta propiamente dicha que identifica una
FEC (con significado local) Bits para uso
experimental una propuesta es transmitir en
ellos información de DiffServ Vale 1 para la
primera entrada en la pila (la más antigua), cero
para el resto Contador del número de saltos.
Este campo reemplaza al TTL de la cabecera IP
durante el viaje del datagrama por la red MPLS.
88
Situación de la etiqueta MPLS
PPP (Líneas dedicadas)
LANs (802.2)
Campo VPI/VCI
ATM
Cabecera ATM
Campo DLCI
Frame Relay
Cabecera Frame Relay
89
Tratamiento del campo TTL

• Al entrar un paquete en la red MPLS el router de
  ingreso inicializa el TTL de la etiqueta al mismo
  valor que tiene en ese momento la cabecera IP
• Durante el viaje del paquete por la red MPLS el
  campo TTL de la etiqueta disminuye en uno por
  cada salto. El de la cabecera IP no se modifica.
• A la salida el router de egreso coloca en la
  cabecera IP el valor del TLL que tenía la
  etiqueta, menos uno
• Si en algún momento el TTL vale 0 el paquete es
  descartado
• Si hay etiquetas apiladas solo cambia el TTL de
  la etiqueta situada más arriba. Cuando se añade
  una etiqueta hereda el valor de la anterior en la
  pila, cuando se quita pasa su valor (menos uno) a
  la que tenía debajo.

90
Apilamiento de etiquetas en MPLS
IP (17)
Paquete IP (TTL)
IP (17)
Red MPLS ISP A
LSR de Ingreso 2º nivel
U
Etiqueta (TTL) de 1er nivel
2 (15)
LSR de Egreso 2º nivel
Etiqueta (TTL) de 2º nivel
4 (16)
7 (14)
V
Red MPLS ISP B
2 (15)
W
LSR de Ingreso 1er nivel
LSR Interior 1er nivel
LSR Interior 1er nivel
LSR de Egreso 1er nivel
7 (14)
X
2 (15)
Los routers U y Z han constituido un LSP con dos
LSR interiores, V e Y
2 (13)
Y
Red MPLS ISP C
Para el ISP B parece como si V e Y fueran routers
IP ordinarios (no MPLS enabled)
8 (12)
Los routers V e Y están enlazados por un LSP que
ha creado el ISP B. V e Y no ven las etiquetas
rojas que manejan W y X
Z
En cierto modo es como si entre V e Y se hubiera
hecho un túnel que atravesara W y X
IP (11)
91
Aplicaciones de MPLS

• Redes de alto rendimiento las decisiones de
  encaminamiento que han de tomar los routers MPLS
  en base a la LIB son mucho más sencillas y
  rápidas que las que toma un router IP ordinario
  (la LIB es mucho más pequeña que una tabla de
  rutas normal). La anidación de etiquetas permite
  agregar flujos con mucha facilidad, por lo que el
  mecanismo es escalable.
• Ingeniería de Tráfico se conoce con este nombre
  la planificación de rutas en una red en base a
  previsiones y estimaciones a largo plazo con el
  fin de optimizar los recursos y reducir
  congestión.
• QoS es posible asignar a un cliente o a un tipo
  de tráfico una FEC a la que se asocie un LSP que
  discurra por enlaces con bajo nivel de carga.
• VPN la posibilidad de crear y anidar LSPs da
  gran versatilidad a MPLS y hace muy sencilla la
  creación de VPNs.
• Soporte multiprotocolo los LSPs son válidos para
  múltiples protocolos, ya que el encaminamiento de
  los paquetes se realiza en base a la etiqueta
  MPLS estándar, no a la cabecera de nivel de red.

92
RFCs MPLS

• RFC 2702 (9/1999) Requirements for Traffic
  Engineering Over MPLS
• RFC 2917 (9/2000) A Core MPLS IP VPN
  Architecture
• RFC 3031 (1/2001) MPLS Architecture
• RFC 3032 (1/2001) MPLS Label Stack Encoding
• RFC 3035 (1/2001) MPLS using LDP and ATM VC
  Switching
• RFC 3036 (1/2001) LDP (Label Distribution
  Protocol) Specification
• RFC 3063 (2/2001) MPLS Loop Prevention Mechanism
• RFC 3270 (5/2002) MPLS Support of DiffServ
• RFC 3346 (8/2002) Applicability Statement for
  Traffic Engineering with MPLS
• RFC 3353 (8/2002) Overview of IP Multicast in a
  MPLS Environment

93
Referencias MPLS

• MPLS Forum http//www.mplsforum.org/
• MPLS Resource Center http//www.mplsrc.com/
• MPLS Working Group http//www.ietf.org/html.chart
  ers/mpls-charter.html
• Proyecto MPLS for Linux http//sourceforge.net/pr
  ojects/mpls-linux/
• MPLS. William Stallings, Internet Protocol
  Journal Vo. 4 Nº 3 http//www.cisco.com/warp/publi
  c/759/ipj_4-3/ipj_4-3_mpls.html
• MPLS Una arquitectura de backbone para la
  Internet del siglo XXI. José Barberá, Boletín
  RedIRIS Nº 53, septiembre 2000.
  http//www.rediris.es/rediris/boletin/53/enfoque1.
  html
• Red MPLS de ONO (Telia) en España
  http//www.microsoft.com/spain/download/technet/6
  onoTechnnet_2001.ppt