EQUIPE 2

Qualidade de Serviço em Redes de Computadores

A Qualidade de Serviço(QoS) serve para melhorar a qualidade dos serviços oferecidos por uma rede, como Frame Relay, MPLS, Ethernet, ATM. Ou seja, fazendo com que aplicações diferentes tenham tratamentos diferentes, e aquelas que precisam de maior necessidade, receberam uma prioridade maior enquanto as outras continuaram utilizando o modelo Best Effort.

Porém isso não quer dizer que deveria reduzir ou retirar banda de aplicações menos importantes, mas sim conhecer e reconhecer o que é mais importante para trafegar primeiro pela rede e explorar bem os recursos disponíveis.*1

O Qos pode ser medido através de garantias que a rede oferece para o tráfego de pacotes. Existem basicamente dois tipos: de desempenho e de disponibilidade.

As garantias de desempenho estão relacionadas a como a entrega dos pacotes será feita. Os parâmetros que medem o desempenho são:

Confiabilidade: sua falta ocasiona perda de pacotes ou sua confirmações.
Atraso: indica quanto tempo o pacote leva para ser enviado da origem até o destino;
Jitter: é a variação no tempo e na sequência da entrega das informações devido à variação no atraso da rede;
Largura de banda: para diferentes tipos de aplicações ou de redes necessitam de diferentes capacidades de transmissão.

A disponibilidade está relacionadas a garantias que o serviço de conectividade estará "quase" sempre disponível. Que podem ser medida pelos seguintes parâmetros:

MTBF (mean time between failures): indica o intervalo médio esperado entre duas falhas sucessivas da rede. Ele corresponde ao inverso da taxa de falhas (número de falhas pelo período observado).
MTTR (mean time to recover): indica o tempo médio que o serviço leva para ser restaurado, uma vez que a falha aconteça.
Disponibilidade: indica a porcentagem de tempo que serviço ficará disponível.

Onde o QoS é aplicado?

Telemedicina e Telesaúde, tem que ocorrer a priorização do tráfego. Um exemplo é em um rede hospitalar, onde tenho o cadastro de pacientes e cirurgias realizadas por equipamentos robóticos, logo a cirurgia deve possuir maior prioridade.

Figura 1 - Cirurgias com equipamentos robóticos.

A figura acima retrata um exemplo de uma cirurgia robótica, onde as máquinas operam os pacientes enquanto os médicos ficam a distância, apenas controlando as máquinas. Esse tipo de cirurgia fornece uma melhor recuperação para o paciente.

Baseada em endereços IP, máscara ou endereço MAC. Ou seja, em uma empresa o dono pode marcar os endereços IP de seus funcionários com maior prioridade, enquanto os visitantes possuem menor. *2

Streaming de multimídia.

Telefonia IP ou VoIP.

Teleconferência de vídeo.

Figura 2 - Requisitos de aplicações.

Na figura acima há uma tabela que classifica a necessidade das características nas aplicações, para com isso perceber quais aplicações devem ter mais prioridade do que as outras.

Serviços Integrados ou IntServ

É um modelo do QoS baseado em fluxo. Onde pode ser semelhante a um circuito virtual, da origem até o destino informando aos roteadores as reservas necessárias. Como o QoS foi desenvolvido para IP(esse não orientado à conexão), precisou-se de um protocolo de sinalização, para efetuar a reserva de recurso, este chamado de RSVP(Protocolo de Reserva de Recurso).

Especificação de fluxo: possuem duas componentes:
- Respec(Especificação de recurso): declaram o recurso que o fluxo precisa reserva(largura de banda, tamanho de buffer e outros).Neste caso os pacotes nunca são descartados, desde que o tráfego se mantenha dentro das especificações desejáveis.
- Tspec(Especificação de trafego):caracteriza o trafego do fluxo.

Admissão: é a decisão do roteador de aceitar ou não o serviço, esta baseia-se em dois fatores: em comprometimento anteriores e sua atual disponibilidade de recursos.

Existem dois serviços no IntServ:

Classe de Serviços Garantidos:esse é quantitativo, onde a quantidade de atraso ponto-a-ponto e a taxa de dados são definidos pela aplicação. Ele garante que os pacotes cheguem dentro de um determinado tempo e que não haverá descarte, caso o trafego de fluxo fique dentro dos limites estipulado pelo Tspec. É usado em aplicações de tempo real.

Classe de Serviços Controlados por Carga: é um serviço qualitativo, o qual aceita atrasos, mas não tolera perdas de pacotes. Exemplos: transferência de arquivos, e-mail e acesso a Internet.

RSVP: é um protocolo independente de sinalização, para ajudar o IP a criar um fluxo,ou seja, fazer suas reservas(largura de banda e o tempo em que será mantida à conexão). Neste período de tempo, o emissor daquele serviço tem uma faixa da largura de banda disponível para transmitir seus dados. E ele é projetado para multicast, mas pode ser usado em unicast.

Reserva baseada em Receptor: a reserva fica por responsabilidade do receptor.

Mensagem de RSVP: são varias mensagens as quais são trocadas entre aplicações, a fim de requerer adequadamente o QoS. Existem diversas tipos de mensagens, mas citaremos as duas principais:
- PATH: é enviada pelo transmissor, é propagada pela multicast, passando por todos os receptores da sua rota. Um elemento no caminho dos dados, ao receber um PATH, criará um estado chamado PATH state . Nessa armazenam o estado de cada nó por onde ela transitou.

Figura 3 - Diagrama de Mensagem Path.

- RESV: ele volta em direção ao transmissor, durante seu retorno ele verifica quais os roteadores que suportam RSVP .Caso nenhum dos roteadores suporte o RSVP, ele reformula os pacotes utilizando o método do melhor esforço.

Figura 4 - Diagrama de Mensagem Resv.

Combinação de reservas: o roteador reserva através de uma combinação, ou seja, ele reserva a maior largura de banda que foi solicitado.

Figura 5 - Diagrama:Combinação de reservas.

Um exemplo prático de como funciona o IntServ :

Figura 6 - Exemplo de IntServ. *7

Na ilustração acima suponhamos que a máquina jazz deseje fazer uma comunicação de voz através da Internet (voz sobre IP) com a máquina ciranda. Então, jazz envia uma mensagem especificando as características para o tráfego (path) para ciranda. Quando a mensagem de path chega a ciranda, inicia-se o procedimento de reserva de recursos (resv) por todo caminho entre este dois nós da rede. Todos os roteadores entre os dois pontos passam pelo processo de alocação de recursos e qualquer um deles pode rejeitar a solicitação, informando para jazz que a solicitação não foi aceita. Caso todos os roteadores tenham condições de disponibilizar os recursos solicitados, é alocada a largura de banda e buffer necessários para a aplicação.

Problemas:

Escalabilidade *5
Limitação de Tipos de Serviços *6

Serviços Diferenciados ou DiffServ

Esse serviço foi montado a fim de solucionar os problemas encontrado no IntServ. Para resolver a questão da escalabilidade transferiam o processo do núcleo para a borda da rede. Assim não acontece o armazenamento de informações de recursos nos roteadores, agora essa responsabilidade fica para os host, eles escolhem o tipo de serviço. Para solucionar o outro problema ao invés de encaminhar o pacote baseado no serviço de fluxo foi modificado para serviços de classe. Divididas em classes, cada uma provavelmente adaptada às necessidades especiais da situação. Exemplo: Ouro, Prata e Bronze.

Campo TOS: apesar desse campo ser implementado em muitos roteadores, ele foi considero pouco significativo. Então, o IETF propôs um campo alternativo que ocupa exatamente os mesmos 8 bits do campo TOS. Esse campo foi denomina do Differentiated Services Field" (o campo DS). O campo DS, por sua vez, foi dividido em dois campos menores: o DSCP (Differentiated Services Code Point) e o ECN (Explicit Congestion Notification).
- O DSCP é um campo utilizado para marcação das classe agregadas da metodologia Difiserv.
- O ECN é uma proposta experimental, que permite que os roteadores indiquem que estão congestionados ao nível do protocolo IP.

Figura 7 - mostrando o campo TOS (Tipo de serviços).

Como essas classes de serviços precisam ser independentes das redes, a IETF definiu algumas classes de redes que são elas:

Encaminhamento expresso: Dentro dessa a duas classificação de serviços,onde os pacotes podem ser marcados como regulares, não possuiram nenhuma prioridade. E também tem os marcados como expressos, esses podem trafegar na rede como se não existisse nenhum pacote na rede só ele, dessa forma receberam serviços com poucas perdas e atrasos, exatamente o que é necessário para VoIP.

Figura 8 - Encaminhamento Expresso, classificação dos serviços

Encaminhamento Garantido: Especifica que haverá quatro classes de prioridades, cada uma delas tendo seus próprios recursos. Sendo que as três superiores podem ser chamadas de ouro, prata e bronze.Assim cada classe recebe a largura de banda conforme sua prioridade, quem tem a mais alta ganha maior largura de banda.

Desvantagens:

um problema é prever o comportamento do pacote numa visão ponto-a-ponto. Principalmente se durante o roteamento passar por nuvens DiffServ, ocorrendo troca de classificação de pacotes.

Uma tentativa de solucionar isso seria implementar uma política standard, porém a tornaria muito complexa. *8

Capacidade: quando aumentar o trafego na rede, pode ocorrer que os pacotes de bronze sejam descartados.

MPLS

O MPLS (Multi Protocol Label Switching - comutação de rótulos multi protocolo) é um protocolo que atua entre as camadas 2 e 3, onde ele faz o chaveamento dos pacotes através de rótulos. No pacote é adicionado um cabeçalho MPLS, no qual os roteadores irão fazer o encaminhamento destes pacotes conforme o rótulo recebido.

Figura 9 - Pacote com MPLS.

Label:campo de 20 bits, no qual informar o valor do rotulo, gerando até 2²⁰ rótulos diferentes.

QoS: indica a classe de serviço e pode ser usado para indicar níveis de prioridade.

S:suporta o enfileiramento de Labels.

TTL(Time to Live):evitar que um pacote fique circulando em loop.

Com base nas informações do campo QoS, os roteadores poderão dar um tratamento especifico a estes pacotes, quando há diversos pacotes MPLS, que percorrem um mesmo salto e tem as mesmas características, eles recebem o mesmo tratamento, este conjunto recebe o nome FEC – Forwarding Eqivalence Class(classe de equivalência de caminhamento).

Esse protocolo acrescenta rótulos(chamados de labels) em cada pacote e faz o roteamento das informações de acordo com a categoria de serviços, tendo tratamento diferenciado cada tipo de aplicação, tornando as redes IP previsíveis e gerenciáveis.

No MPLS o controle de qualidade de serviço ocorre com o emprego de técnicas de gestão inteligente de filas de pacotes nos roteadores da rede de dados, viabilizando, por exemplo, o transporte integrado de voz com qualidade.

Padrão IEEE 802.11e

O padrão IEEE 802.11e é um conjunto de documentos que prevê ferramentas para que os dispositivos que seguem o padrão Wi-Fi possam garantir QoS para seus dispositivos. Esse padrão é baseado em duas funções de coordenação, ou modos de operação:

O EDCA (Enhanced Distributed Chanel Access), que é uma extensão do modo DCF do padrão original do Wi-Fi. Esse modo de operação é baseado no protocolo de acesso aleatório CSMA/CA.
- Onde esse modo usa para evitar colisões (ou tentar evitar), o conceito de AIFS (Arbitration InterFrame Space), no qual depois de verificar que meio esta livre, ele espera o tempo AIFS para só depois transmitir. Esse tempo depende da prioridade de cada pacote, sendo que pacotes com maior prioridade terão um AIFS menor, ou seja, esperaram menos tempo para serem transmitidos e os com menor prioridade terão maior AIFS.

Figura 10 - Espaçamento entre quadros no 802.11.

HCCA ( Controlled Channel Access), que é uma melhora do modo PCF (Point Coordination Function), esse é opcional e providência acesso sem conflitos por meio de uma consulta em cada estação, numa ordem pré-estabelecida, para saber quem tem pacotes para transmitir. Essa consulta é feita por pulling. *9

Quando uma estação ganha o acesso , ele pode enviar um pacote de transmissão, durante a sua oportunidade ( TXOP - Transmission Oportunity ). Ele é diferente para cada nível prioridade. Quanto maior a prioridade, maior o tempo do TXOP.Quando uma estação ganha o acesso , ele pode enviar um pacote de transmissão , durante a sua oportunidade (TXOP).

Curiosidade:

O IEEE 802.11e foi concluída no ano de 2005, e só foi implementada no ano 2012. A partir daí deixou de ser um anexo e agora faz parte do conjunto IEEE 802.11.Conhecida atualmente por WMM (Wi-Fi Multimedia).