Calidad de Servicio (Quality of Service - QoS)...Calidad de Servicio (Quality of Service - QoS) - 2019 - Laboratorio de REDES Recuperación de Información y Estudios de la Web Administración

Calidad de Servicio(Quality of Service - QoS)

- 2019 -

Laboratorio de REDESRecuperación de Informacióny Estudios de la Web

Administración y Gestión de RedesLic. en Sistemas de Información

Equipo docente:Fernando Lorge ([email protected])Santiago Ricci ([email protected])

Alejandro Iglesias ([email protected])Mauro Meloni ([email protected])

Mecanismos QoS

Calidad de servicio

● Problema de optimización: Maximizar satisfacción del usuario final minimizando costos

● Capacidad de la red de garantizar los recursos requeridos para un requerimiento de servicio a la red

● Conjunto de técnicas para administrar los recursos de la red. (manejando delay, jitter, bandwith, packet loss)

● Capacidad de la red de proveer mejor servicio a tráfico seleccionado sobre varias tecnologías.

Mecanismos QoS

Funciones de un ruteador(repaso)

● Validar header● Decrementar TTL● Recalcular checksum del header● Buscar ruta● Fragmentar si es necesario (IPv4)● Procesar opciones si es necesario● Descartar paquetes ante congestión

Mecanismos QoS

Funciones de un ruteador(repaso)

● Clasificar paquetes● Filtrar paquetes● Marcar paquetes● NAT● Priorizar tráfico● Verificar conformidad de tráfico● Asegurar tasa de transferencia mínima

Mecanismos yarquitecturas QoS

Mecanismos QoSData Plane

Clasificación

● En Flows, Streams, Traffic Classes, de manera:● Implícita (Interfaz/Circuito Virtual de origen)● Simple (campos específicos para clasificación: IPv4 ToS-IPv6 Traffic

class → DS, MPLS Exp, Ethernet CoS)● Compleja (campo/s no específicos para clasificación)● Inspección profunda de paquetes/con estado (DPI - Deep

Packet Inspection/Stateful Inspection)● Combinaciones de algunas/todas las anteriores


Acondicionamiento de Tráfico

● Controles y acciones aplicados sobre los flujos de tráfico para cumplir con los requerimientos planteados por SLAs.

● Las funciones mediante las que se implementa son:

Policing

Marking

Shaping

Metering Queueing and Scheduling Dropping Techniques

Policing

● Asegurar que determinado tráfico (stream) no supere una tasa máxima definida

● Controla la tasa de envío marcando (marking) o descartando paquetes que superan el máximo establecido.

● Se implementa mediante Token Bucket


PolicingToken Bucket

● Mecanismo para limitar la tasa media de transferencia de un flujo, permitiendo “ráfagas” hasta un tamaño máximo admitido.

● Genéricamente:● CIR: Commited Information Rate - Tasa de Caudal

Comprometido● CBS: Commited Burst Size – Tamaño de Ráfaga Comprometido● T: Time Interval - Intervalo


Token Bucket simple

● Bucket de tamaño B (Burst - Ráfaga) ● Tasa o Rate (R) a la cual se llena el bucket con tokens● Al “llegar” un paquete se compara su tamaño en bytes con los

tokens-bytes que hay en el bucket.● Si hay suficientes se decrementan tantos tokens-bytes como

bytes del paquete (paquete “en conformidad”)● Si no, el paquete “no esta en conformidad” o “excedió” el token

bucket definido.


B

Rate (CIR)

Burst(CBS)

Single Rate Three Color Marker(SR-TCM, RFC 2697)


Commited Bucket / Excess BucketCIR: Commited Information RateCBS: Commited Burst SizeEBS: Excess Burst Size

C E

CIR

CBS EBS

Al arribar paquete de tamaño B bytes:● Si B < tokens en C → decrementar B tokens de C, acción verde.

Sino,● Si B < tokens en E → decrementar B tokens de E, acción

amarilla. Sino,● Acción roja. Ni C ni E son afectados.

Two Rate Three Color Marker(TR-TCM, RFC 2698)


CIR: Commited Information RateCBS: Commited Burst SizePIR: Peak Information RatePBS: Peak Burst Size

C P

CIR

CBS PBS

PIR

Al arribar paquete de tamaño B bytes:● Si B > tokens en P → acción roja; ni C ni P son afectados. Sino,● Si B > tokens en C → decrementar B tokens de P, acción

amarilla. Sino,● Decrementar B tokens de C y P, acción verde

Two Rate Three Color MarkerWith Efficient Handling of In-profile Traffic

(RFC 4115)


CIR: Commited Information RateEIR: Excess Information RateCBS: Commited Burst SizeEBS: Excess Burst Size

C E

CIR

CBS EBS

EIR

Al arribar paquete de tamaño B bytes:● Si B < tokens en C → acción verde, decrementar B tokens de C.

Sino,● Si B < tokens en E → acción amarilla, decrementar B tokens de

E. Sino,● Acción roja.

Traffic Shaping

● Asegurar que determinado tráfico (stream) no supere una tasa máxima definida

● Controla la tasa de envío● A diferencia de Policing, que marca o dropea paquetes que

superan el máximo establecido, shaping retrasa encolándolos.● Policing actúa para “acotar” picos de tráfico, mientras que

shaping “suaviza”

● Técnicas: Token Bucket Leaky Bucket


Leaky BucketJ. Turner (1986)


Policing vs Shaping:


Queueing and Scheduling(Encolado y Planificación)

● Manejar los paquetes recibidos y planificar su envío en una interfaz de salida.

● Función del administrador de colas (“queue manager”) de un ruteador.

● Debe ser eficiente a la vez de poder dar prioridad a determinados paquetes.

● Para acomodar ráfagas (“bursts”) se utilizan buffers.● Los buffers son de tamaño finito. Puede ser necesario

descartar paquetes.

(En parte problemática similar a la planificación de procesos de un SO!)



● Clásico FIFO (o FCFS)

● Fácil de implementar.

● Retardo máximo conocido. (Tamaño búffer/capacidad del enlace)

● No provee QoS!!.



Solución → Planificación con prioridades:● Strict Priority Queueing● Weighted Bandwidth Scheduling

a) Weighted Round Robinb) Weighted Fair Queuingc) Deficit Round Robin

Características deseadas:● Justo (fair), acotar peor caso de latencia, simplicidad



Strict priority queueing

● Pre-emptive (Packet level o Quantum level)● Non pre-emptive



Weighted Round Robin (WRR)

Ejemplo, si todas las colas hay paquetes, el orden de envío sería:A, B, B, C, C, C, C, A, B, B, C, C, C, A…

Pero… ¡WRR no es justo si los paquetes tienen tamaño variable!



Weighted Fair Queueing (WFQ)● Versión para paquetes de GPS (General Process Sharing)● Calcula el tiempo de entrega del paquete (Tep) o Número de

Secuencia.● Lleva un tiempo de referencia general llamado “número de

ronda” (round number), NR.● Si cola Q inactiva:

Tep = NR + Packet size (in bytes) x Queue Weight● Si cola Q activa:

Tep = Max(Tep(Q)) + Packet size (in bytes) x Queue Weight● Q está activa si en ella hay paquetes con Tep > NR● El planificador entrega el paquete con menor Tep● NR = Tep



Weighted Fair Queueing (WFQ)● Colas A:B:C. Bandwidth share 1:2:4.● QA (64B, Peso 4), QB (1500B, Peso 2), QC (300B, Peso 1)● NR = 0● Llega A1, Cola inactiva. 0 + 64 * 4 = 256 → Tep(A1)● Llega A2, Cola activa. 256 + 64 * 4 = 512 → Tep(A2)● Llega B1, Cola inactiva. 0 + 1500 * 2 = 3000 → Tep(B1)● Llega C1, Cola inactiva. 0 + 300 * 1 = 300 → Tep(C1)● Llega C2, Cola activa. 300 + 300 * 1 = 600 → Tep(C2)● Llega C3, Cola activa. 600 + 300 * 1 = 900 → Tep (C3)

Entrega: A1, C1, A2, C2, C3, B1...



Deficit Round Robin (DRR)● Es una versión modificada de WRR de manera que pueda ser

justo sin estar sesgado por el tamaño de los paquetes. ● Es otra versión “paquetizada” de GPS.● Indicadores:

● Quantums de peso o “crédito” disponible para la cola● Déficit o “deuda” del planificador hacia la cola.



Deficit Round Robin (DRR)● Colas A:B:C. Bandwidth share 1:2:4.● QA (64B, Q100), QB (1500B, Q200), QC (300B, Q400)● Queue loop:

● Quantum(QA)=100, entrego un paquete.Déficit(QA)=36 Bytes.● Quantum(QB)=200, no entrego nada.Déficit(QB)=200 Bytes.● Quantum(QC)=400, entrego un paquete.Déficit (QC)=100 Bytes.● El Quantum de cada cola es igual al Quantum nominal + Déficit.● Si la cola está vacía, Déficit(Q)=0



Deficit Round Robin (DRR)


Dropping Techniques(Descarte de paquetes - drop)

● ¿Cuándo? → Buffer lleno● ¿Por qué no buffers mas grandes? → Crece el tiempo de

encolado → mayor delay → SLA/objetivos de latencia ↓ dependiendo de la aplicación

● Técnicas:● Tail Drop● Weighted Tail Drop● Random Early Detection● Weighted Random Early Detection


Weighted Tail Drop


Probabilidad

0

1

qlim1 qlim2 Tamaño de la cola

Random Early Detection (RED)RFC 2309


Probabilidad

0

1

qmin qmax Tamaño de la cola

pmax

Weighted Random Early Detection (WRED)


Probabilidad

0

1

qminRojo

pmaxrojo

qmaxRojo

qminamarillo

qminverde

qmaxamarillo

qmaxamarillo Tamaño de la cola

pmaxamarillo

pmaxverde

Dropping TechniquesInteracción con TCP

● Implícita: Descarte de paquetes para que el emisor infiera que existe congestión (RED).

● Explícita: Notificar explícitamente situación de congestión mediante el marcado de paquetes. ECN - “Explicit Congestion Notification”


ECNExplicit Congestion Notification

● RFC 3168: The Addition of Explicit Congestion Notification (ECN) to IP

● A nivel IP:● Campo ECN:

● Bit ECT: ECN capable Transport● Bit CE: Congestion Experienced

● A nivel TCP:● Flags en Header:

● NS: Nonce Sum (RFC 3540 - Experimental)● ECE: ECN-Echo● CWR: Congestion Window Reduced



Campos en IPv4



Campos en TCP



● En UDP propiamente dicho imposible por su naturaleza, pero si en capa superior:● RFC 6679: Explicit Congestion Notification (ECN) for RTP

over UDP● Debe ser negociada y soportada en la aplicación que lo

utilice, (ej. SIP/SDP, WebRTC), u otro transporte (ej. QUIC)

● DCCP Datagram Congestion Control Protocol● RFC 4340: Conexiones unicast bidireccionales de

datagramas no fiables con control de congestión


Control de Tráfico en Linux

Módulo TC (Traffic Control)

Capa IP → TC → Driver

●Shaping●Scheduling

●Policing●Dropping

Control de tráficoen Linux

Módulo TC

●Definición de políticas de Control de Tráfico:

● Queuing disciplines (tc qdisc)

● Clases (tc class)

● Filtros que relacionan paquetes con las clases (tc filter)


Módulo TC

● Classless Queueing Disciplines:● Pfifo, bfifo● Pfifo_fast (default)● RED - Random Early Detection● Stochastic Fairness Queueing (SFQ)● Token Bucket Filter (TBF)

● Classful Disciplines:● PRIO● HTB - Hierarchical Token Bucket● CBQ - Class-based queuing


PFIFO Fast


SFQ - Stochastic Fairness Queuing


TBFToken Bucket Filter


Módulo TC

Definición Classless qdisc:tc qdisc add dev eth0 parent root handle 1:0 pfifo

Definición Classful qdisc:tc qdisc add dev eth0 parent root handle 1: htb default 1tc class add dev eth0 parent 1:0 classid 1:1 htb rate 2mbittc class add dev eth0 parent 1:0 classid 1:2 htb rate 2mbit ceil 1mbit


Módulo TC

Definición de filtros:u32 [u16 u8] selector:tc filter add dev eth0 parent 1:0 protocol ip u32 match ip sport 80 0xffff classid 1:10

Netfilter CLASSIFY target:iptables -t mangle -A POSTROUTING -o eth0 -p tcp --sport 80 -j CLASSIFY --set-class 1:10

Netfilter MARK target:iptables -t mangle -A POSTROUTING -o eth2 -p tcp --sport 80 -j MARK --set-mark 1tc filter add dev eth0 protocol ip parent 1:0 prio 1 handle 1 fw classid 1:10


Próxima: QoS 2

Bibliografía:

Deploying IP and MPLS QoS for Multiservice Networks: Theory & Practice. John Evans and Clarence Filsfils. Morgan Kaufmann, 2007.

Network Routing: Algorithms, Protocols, and Architectures. Deepankar Medhi,Karthikeyan Ramasamy. Morgan Kaufmann, 2007.

http://wiki.linuxwall.info/doku.php/en:ressources:dossiers:networking:traffic_control

Bibliografía

http://wiki.linuxwall.info/doku.php/en:ressources:dossiers:networking:traffic_control

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