Desarrollo de un Nodo Encaminador para Filtrado y Simulación de Tráfico en Subredes IP

Desarrollo de un Nodo Encaminador para Desarrollo de un Nodo Encaminador para Filtrado y Simulación de Tráfico en Subredes IPFiltrado y Simulación de Tráfico en Subredes IP

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIÓN

UNIVERSIDAD DE MÁLAGA

Autor: D. Miguel Ángel Ruiz LozanoAutor: D. Miguel Ángel Ruiz Lozano

Director: D. Eduardo Casilari PérezDirector: D. Eduardo Casilari Pérez

INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIÓN

Departamento de Tecnología ElectrónicaDepartamento de Tecnología Electrónica

TE

Proyecto Fin de Proyecto Fin de CarreraCarrera

2

ÍndiceÍndice

1.1. IntroducciónIntroducción

2.2. Modelo de Servicios DiferenciadosModelo de Servicios Diferenciados

3.3. Desarrollo de Encaminador DSDesarrollo de Encaminador DS

4.4. Interfaz de UsuarioInterfaz de Usuario

5.5. Pruebas de funcionamientoPruebas de funcionamiento

6.6. Conclusiones y líneas futurasConclusiones y líneas futuras

3

Necesidad de Calidad de ServicioNecesidad de Calidad de Servicio InternetInternet

• Valorada por la gran cantidad de contenidosValorada por la gran cantidad de contenidos• Servicio de transporte de datos: Servicio de transporte de datos: Best EffortBest Effort

Infraestructura comercial Infraestructura comercial Nuevos Servicios Nuevos Servicios• VoIP, Videoconferencia, Telecontrol, comercio-eVoIP, Videoconferencia, Telecontrol, comercio-e• Garantías de Ancho de Banda, retardo máximo, Garantías de Ancho de Banda, retardo máximo, jitterjitter

Servicio Servicio Best EffortBest Effort• No ofrece garantíasNo ofrece garantías• No se adapta a los nuevos servicios IPNo se adapta a los nuevos servicios IP

Solución: Dotar a IP de Mecanismos de Calidad de ServicioSolución: Dotar a IP de Mecanismos de Calidad de Servicio• Mejoran el Servicio de transporte de datos IPMejoran el Servicio de transporte de datos IP

4

Calidad de ServicioCalidad de Servicio ¿Qué es Calidad de Servicio?¿Qué es Calidad de Servicio?

• Capacidad de la red de proporcionar un mejor servicio Capacidad de la red de proporcionar un mejor servicio a un determinado tráficoa un determinado tráfico

¿Cómo conseguir Calidad de Servicio?¿Cómo conseguir Calidad de Servicio?• Trato preferente a determinados tráficos a nivel IPTrato preferente a determinados tráficos a nivel IP• No crea ancho de banda No crea ancho de banda Uso más eficiente Uso más eficiente

Estrategias de diferenciaciónEstrategias de diferenciación• ReservaReserva• Asignación de prioridadesAsignación de prioridades

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Estrategias de diferenciaciónEstrategias de diferenciación ReservaReserva

• Reserva recursos para uso exclusivo de un Reserva recursos para uso exclusivo de un determinado flujodeterminado flujo

• Garantía totalGarantía total• Poco escalablePoco escalable

Asignación de prioridadesAsignación de prioridades• Asigna distintas prioridades a determinados Asigna distintas prioridades a determinados

agregados de tráficoagregados de tráfico• Garantía estadísticaGarantía estadística• Control en nodos de acceso Control en nodos de acceso Garantía Total Garantía Total• EscalableEscalable

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Modelos de Calidad de ServicioModelos de Calidad de Servicio IPv4 e IPv6 soportan asignación de prioridadesIPv4 e IPv6 soportan asignación de prioridades

• Tipo de Servicio (ToS) para IPv4Tipo de Servicio (ToS) para IPv4• Clase de Tráfico en IPv6Clase de Tráfico en IPv6

No pueden ofrecer calidad de servicio extremo a No pueden ofrecer calidad de servicio extremo a extremo extremo • No poseen mecanismos de control y vigilancia propiosNo poseen mecanismos de control y vigilancia propios

Solución: Modelos de Calidad de ServicioSolución: Modelos de Calidad de Servicio• Servicios Integrados (Servicios Integrados (IntServIntServ) y RSVP) y RSVP• MPLS (MPLS (MultiProtocol Label SwitchingMultiProtocol Label Switching))• Servicios Diferenciados (Servicios Diferenciados (DiffServDiffServ) )

7

ÍndiceÍndice







8

Modelo de Servicios DiferenciadosModelo de Servicios Diferenciados Alternativa al Modelo de Servicios IntegradosAlternativa al Modelo de Servicios Integrados

• Solución a dificultad de implementación y escalabilidadSolución a dificultad de implementación y escalabilidad

Idea BásicaIdea Básica• Clasificar el tráfico en grupos de tráfico con distintas prioridadesClasificar el tráfico en grupos de tráfico con distintas prioridades• Mejor servicio a paquetes de grupo de mayor prioridadMejor servicio a paquetes de grupo de mayor prioridad

EscalableEscalable• Asigna recursos a un conjunto limitado de clases de tráficoAsigna recursos a un conjunto limitado de clases de tráfico• Complejidad crece en función del número de clasesComplejidad crece en función del número de clases

Diseño basado en Paradigma IPDiseño basado en Paradigma IP• Complejidad de gestión de recursos en los extremosComplejidad de gestión de recursos en los extremos• Núcleo de red simple y rápidoNúcleo de red simple y rápido

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Arquitectura de Servicios DiferenciadosArquitectura de Servicios Diferenciados Dominio de Servicios Diferenciados (RFC 2475)Dominio de Servicios Diferenciados (RFC 2475)

• Conjunto de nodos contiguos con soporte de DS y mismos PHBConjunto de nodos contiguos con soporte de DS y mismos PHB• Nodos Frontera y Nodos InterioresNodos Frontera y Nodos Interiores

Agregado ó BAAgregado ó BA• Conjunto de paquetes que recibirán el mismo tratamiento dentro del Conjunto de paquetes que recibirán el mismo tratamiento dentro del

dominio DSdominio DS

DSCP (RFC 2474)DSCP (RFC 2474)• Código de la cabecera IP que identifica el agregado del paqueteCódigo de la cabecera IP que identifica el agregado del paquete• 6 bits más significativos de ToS de IPv4 6 bits más significativos de ToS de IPv4 64 agregados diferentes 64 agregados diferentes

PHB ó Tratamiento nodo a nodoPHB ó Tratamiento nodo a nodo• Tratamiento que cada nodo aplica a un determinado agregadoTratamiento que cada nodo aplica a un determinado agregado• Acondicionamiento, Gestión de entrada de cola y planificación de salidaAcondicionamiento, Gestión de entrada de cola y planificación de salida

PHB de la IETFPHB de la IETF• Servicio Servicio PremiumPremium/PHB EF(/PHB EF(Expedited ForwardingExpedited Forwarding) (RFC 3246)) (RFC 3246)• Servicio Asegurado/PHB AF(Servicio Asegurado/PHB AF(Assured ForwardingAssured Forwarding) (RFC 2597)) (RFC 2597)• Servicio Servicio Best EffortBest Effort/PHB /PHB Best EffortBest Effort

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Expedited Forwarding (EF)Expedited Forwarding (EF) Mayor nivel de PrioridadMayor nivel de Prioridad

• Mínimas pérdidas, bajo retardo yMínimas pérdidas, bajo retardo y bajo bajo jitterjitter

Estrategias de implementaciónEstrategias de implementación• Limitar tasa máxima de tráfico EFLimitar tasa máxima de tráfico EF• Conformado / EliminaciónConformado / Eliminación• Modelo de colas con Cola EF prioritariaModelo de colas con Cola EF prioritaria

Apropiado para Aplicaciones de Tiempo RealApropiado para Aplicaciones de Tiempo Real• VoIPVoIP• VideoconferenciaVideoconferencia

DSCP Recomendado: 1DSCP Recomendado: 10111001110

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Assured Forwarding (AF)Assured Forwarding (AF) Prioridad MediaPrioridad Media

• Garantías menos estrictas que EFGarantías menos estrictas que EF• Apropiadas para tráfico a ráfagasApropiadas para tráfico a ráfagas

Grupo de PHB AFxyGrupo de PHB AFxy• 1 < x < 4 1 < x < 4 4 grupos AFx 4 grupos AFx• 1 < y < 3 1 < y < 3 3 prioridades de descarte 3 prioridades de descarte

ImplementaciónImplementación• Medidor de conformadoMedidor de conformado• Marcador de prioridad de descarteMarcador de prioridad de descarte• WRED en Sistema de Colas de SalidaWRED en Sistema de Colas de Salida

Apropiado para tráfico a ráfagasApropiado para tráfico a ráfagas• Aplicaciones que funcionan sobre TCPAplicaciones que funcionan sobre TCP

Prioridad de Descarte

Clase 1 Clase 2 Clase 3 Clase 4

Baja(AF11)001010

(AF21)010010

(AF31)011010

(AF41)100010

Media(AF12)001100

(AF22)010100

(AF32)011100

(AF42)100100

Alta(AF13)001110

(AF23)010110

(AF33)011110

(AF43)100110

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Best EffortBest Effort Servicio BásicoServicio Básico

• Tratará de encaminar lo mejor posibleTratará de encaminar lo mejor posible• Sin ninguna garantíaSin ninguna garantía

Tráfico sin contrato AF ó EFTráfico sin contrato AF ó EF• Tráfico que no desea calidades superioresTráfico que no desea calidades superiores

Tráfico EF y AF no conforme a perfil de tráfico Tráfico EF y AF no conforme a perfil de tráfico • Si la política así lo estimaSi la política así lo estima

DSCP recomendado 000000DSCP recomendado 000000

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Modelo de Servicios DiferenciadosModelo de Servicios Diferenciados

Dominio DiffServ

Proveedor de Servicios

de Internet (ISP)

Nodo DiffServFrontera Nodo DiffServ

InteriorUsuario

Clase 1Clase 2

Clase 1

Clase 2 Nodo DiffServInterior

SLA

TCA

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TCATCA TCA o Acuerdo de Acondicionamiento de TráficoTCA o Acuerdo de Acondicionamiento de Tráfico

• Define el Perfil de clienteDefine el Perfil de cliente

Perfil de ClientePerfil de Cliente• Perfil de tráficoPerfil de tráfico• Parámetros de clasificaciónParámetros de clasificación

Perfil de tráficoPerfil de tráfico• Especifica las propiedades del tráfico contratadoEspecifica las propiedades del tráfico contratado• En forma de parámetros En forma de parámetros Token BucketToken Bucket

Parámetros de clasificaciónParámetros de clasificación• Permite al clasificador distinguir tráfico del clientePermite al clasificador distinguir tráfico del cliente• Localización: IP origen/destino, Aplicación: Puerto origen/destinoLocalización: IP origen/destino, Aplicación: Puerto origen/destino

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Modelo de Servicios DiferenciadosModelo de Servicios Diferenciados

Dominio DiffServ

Proveedor de Servicios

de Internet (ISP)

Nodo DiffServFrontera Nodo DiffServ

InteriorUsuario

Clase 1Clase 2

Clase 1

Clase 2Nodo DiffServ

Interior

SLA

TCA

Clasifica Clasifica Perfil Cliente Perfil Cliente

Acondiciona (TCA)Acondiciona (TCA) Clasifica Clasifica BA BA

AplicaAplica PHB PHB

Clasifica Clasifica BA BA

AplicaAplica PHB PHB

( Ajusta tráfico al perfil de tráfico contratado )( Ajusta tráfico al perfil de tráfico contratado )

( Asocia BA del Dominio ( Asocia BA del Dominio Marca DSCP ) Marca DSCP )

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ÍndiceÍndice

1.1. IntroducciónIntroducción2.2. Modelo de Servicios DiferenciadosModelo de Servicios Diferenciados3.3. Desarrollo de Encaminador DSDesarrollo de Encaminador DS4.4. Interfaz de UsuarioInterfaz de Usuario5.5. Pruebas de funcionamientoPruebas de funcionamiento6.6. Conclusiones y líneas futurasConclusiones y líneas futuras

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Elección del Entorno de TrabajoElección del Entorno de Trabajo Sistema Operativo WindowsSistema Operativo Windows

• S.O. más extendidoS.O. más extendido• Ninguna versión libre de encaminador DS para WindowsNinguna versión libre de encaminador DS para Windows

Lenguaje de programación C++Lenguaje de programación C++• Códigos ejecutables rápidosCódigos ejecutables rápidos• Orientado a objetos Orientado a objetos Reutilización del código Reutilización del código

Estilo de programación Estilo de programación MultithreadMultithread • Aplicación eficienteAplicación eficiente

Arquitectura WinPcapArquitectura WinPcap• Captura de paquetesCaptura de paquetes• Más eficiente y robusta que Interfaz SocketMás eficiente y robusta que Interfaz Socket

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Diagrama de bloquesDiagrama de bloques

19

Módulo de Servicios DiferenciadosMódulo de Servicios Diferenciados

Implementación de elementos basada en la RFC 3290: Implementación de elementos basada en la RFC 3290: “Modelo Informal de Gestión para Routers DiffServ”“Modelo Informal de Gestión para Routers DiffServ”

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ClasificadorClasificador Tráfico de entradaTráfico de entradaPerfil de ClientePerfil de ClienteGestor de TráficoGestor de Tráfico

Conjunto de Filtros no solapadosConjunto de Filtros no solapados• Aplica al tráfico de entrada siguiendo un orden de precedenciaAplica al tráfico de entrada siguiendo un orden de precedencia

FiltroFiltro• Condiciones sobre campos del paquete claves para clasificaciónCondiciones sobre campos del paquete claves para clasificación

Clasificador MFClasificador MF• Filtros MF/MulticampoFiltros MF/Multicampo

6-tuple: IP origen/destino, puertos origen/destino, DSCP, protocolo aplicación6-tuple: IP origen/destino, puertos origen/destino, DSCP, protocolo aplicación• Nodos FronteraNodos Frontera

Clasificador BAClasificador BA• Filtros BAFiltros BA

Campo DSCPCampo DSCP• Nodos Interiores Nodos Interiores

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Gestor de TráficoGestor de Tráfico

Acondiciona el tráfico según las políticas y parámetros Acondiciona el tráfico según las políticas y parámetros contratadoscontratados

Tipos de Gestores en función del tratamiento que van a aplicarTipos de Gestores en función del tratamiento que van a aplicar• EF, AF y EF, AF y Best EffortBest Effort• Tratamiento Tratamiento Acción combinada de los elementos del Gestor Acción combinada de los elementos del Gestor

Elementos del GestorElementos del Gestor• Medidor Medidor Analiza las propiedades del tráfico vs perfil de tráfico Analiza las propiedades del tráfico vs perfil de tráfico• Marcador Marcador Marca los paquetes con el DSCP apropiado Marca los paquetes con el DSCP apropiado • Conformador / Eliminador Conformador / Eliminador Ajustar el tráfico a la salida Ajustar el tráfico a la salida

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Conformador / EliminadorConformador / Eliminador

Conformador Conformador Token BucketToken Bucket

Eliminador: Eliminador: Token BucketToken Bucket con Tamaño de Cola = 0 con Tamaño de Cola = 0

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MedidorMedidor

Miden Conformidad del tráfico vs Perfil de tráficoMiden Conformidad del tráfico vs Perfil de tráfico• Medidor Medidor Token BucketToken Bucket • Tráfico a la salida de un algoritmo Tráfico a la salida de un algoritmo Token BucketToken Bucket sin cola sin cola

Conformes SemiConformes

No Conformes

Medidor de 3 niveles de Medidor de 3 niveles de conformadoconformado

Medidor de 2 niveles de Medidor de 2 niveles de conformadoconformado

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Sistema de Colas de SalidaSistema de Colas de Salida

3 Sesiones: EF, AF y 3 Sesiones: EF, AF y Best EffortBest Effort

SesiónSesión• Cola FIFO Cola FIFO • Mecanismos de gestión y planificaciónMecanismos de gestión y planificación

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Mecanismos de Gestión de EntradaMecanismos de Gestión de Entrada TailDropTailDrop

• Elimina paquetes por final de cola Elimina paquetes por final de cola cuando ésta esta llenacuando ésta esta llena

• Sincronización global TCPSincronización global TCP Utilización ineficiente de la redUtilización ineficiente de la red

REDRED • Descarta estadísticamenteDescarta estadísticamente• Evita Sincronización global TCPEvita Sincronización global TCP• Mantiene cola con tamaño medioMantiene cola con tamaño medio• No precedencias de descarteNo precedencias de descarte

WREDWRED • RED con prioridades de descarteRED con prioridades de descarte• WRED de 3 niveles WRED de 3 niveles AFxy AFxy

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Disciplinas de Planificación de SalidaDisciplinas de Planificación de Salida FIFOFIFO

• Sirve en orden de llegadaSirve en orden de llegada

PQ ó colas de prioridadesPQ ó colas de prioridades• Asigna distintas prioridades a Asigna distintas prioridades a

las colaslas colas

WFQWFQ• Distribuye el Ancho de Banda Distribuye el Ancho de Banda

de salida de forma justade salida de forma justa

SCFQSCFQ• WFQ menos complejaWFQ menos compleja• Mayor retardo en Peor Caso Mayor retardo en Peor Caso

WF2Q+WF2Q+• WFQ mucho menos complejaWFQ mucho menos compleja• Distribuye el Ancho de Banda Distribuye el Ancho de Banda

de salida de forma mas precisade salida de forma mas precisa

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Características del Software FinalCaracterísticas del Software Final Dos versiones de Encaminador con y sin Interfaz GráficoDos versiones de Encaminador con y sin Interfaz Gráfico

Características comunesCaracterísticas comunes• Dan soporte de Servicios DiferenciadosDan soporte de Servicios Diferenciados• Se autoconfiguran desde ficheros a intervalos programadosSe autoconfiguran desde ficheros a intervalos programados

Facilita la Configuración remota a través de FTPFacilita la Configuración remota a través de FTP

• Realizan volcado periódico de medidas a ficheroRealizan volcado periódico de medidas a fichero Hace posible llevar un seguimiento remoto del comportamientoHace posible llevar un seguimiento remoto del comportamiento

• Implementan funciones de Implementan funciones de ProxyProxy ARP para montar una Red Virtual ARP ARP para montar una Red Virtual ARP

Con Interfaz GráficoCon Interfaz Gráfico• Muestra estadísticas de tráfico y encaminamiento en tiempo realMuestra estadísticas de tráfico y encaminamiento en tiempo real• Facilita la creación de nuevos clientes a través de menús interactivosFacilita la creación de nuevos clientes a través de menús interactivos• Permite la modificación de parámetros en tiempo realPermite la modificación de parámetros en tiempo real• Lectura y volcado de parámetros de configuración y clientes a través de Lectura y volcado de parámetros de configuración y clientes a través de

ficherosficheros

Sin Interfaz GráficoSin Interfaz Gráfico• Prevenir problemas de incompatibilidad Interfaz Gráfico – Versión WindowsPrevenir problemas de incompatibilidad Interfaz Gráfico – Versión Windows

28

ÍndiceÍndice







29

Panel ConfiguraciónPanel Configuración

30

Panel Cola de EntradaPanel Cola de Entrada

31

Panel ClasificadorPanel Clasificador

32

Panel Gestor de TráficoPanel Gestor de Tráfico

33


34


35

Panel AdaptadoresPanel Adaptadores

36

ÍndiceÍndice







37

Escenario de PruebasEscenario de Pruebas Equipo A con 3 tarjetas Ethernet Equipo A con 3 tarjetas Ethernet Clientes Iperf (Emisores) Clientes Iperf (Emisores) Equipo B con 2 tarjetas Ethernet Equipo B con 2 tarjetas Ethernet Servidores Iperf (Receptor) Servidores Iperf (Receptor) Encaminador Encaminador DiffServDiffServ con 3 tarjetas Ethernet con 3 tarjetas Ethernet

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Encaminamiento Encaminamiento Best EffortBest Effort

Iperf –s –u –B 192.170.0.1 –p 5001

Iperf –c 192.170.0.1 –u –B 192.169.0.1 –b 2m –t 10 –p 5001

2 Mbps

2 Mbps

39

Marcado de PaquetesMarcado de Paquetes

Expedited Forwarding

40

ConformadoConformado

41

ConformadoConformado

3 Mbps

1 Mbps0 Paquetes Perdidos

42

EliminaciónEliminación

43

EliminaciónEliminación

3 Mbps

1 MbpsPaquetes perdidos > 0

44

Mecanismos REDMecanismos RED

45

Planificación de SalidaPlanificación de Salida

10

40

50

46

Capacidad de Trabajo del SoftwareCapacidad de Trabajo del Software FuncionalidadFuncionalidad

• Ordenador compatible Pentium o superiorOrdenador compatible Pentium o superior• Sistemas Operativos Windows 9x, NT, 2000 y XPSistemas Operativos Windows 9x, NT, 2000 y XP• Arquitectura WinPcap versión 2.3 o superiorArquitectura WinPcap versión 2.3 o superior

Características del SW sobre Athlon XP 1.8 GhzCaracterísticas del SW sobre Athlon XP 1.8 Ghz• Velocidad de conmutación de hasta 40 Mbps de tráfico a la Velocidad de conmutación de hasta 40 Mbps de tráfico a la

entradaentrada• JitterJitter menores al microsegundo para baja carga menores al microsegundo para baja carga• Retardos menores al milisegundo para baja cargaRetardos menores al milisegundo para baja carga• Precisión de ancho de banda de salida de conformado Precisión de ancho de banda de salida de conformado

entorno al 1 % del valor objetivoentorno al 1 % del valor objetivo• Capacidad para soportar mas de 10 agregados de 3 MbpsCapacidad para soportar mas de 10 agregados de 3 Mbps

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ÍndiceÍndice







48

ConclusionesConclusiones Servicios Diferenciados, QoS más apropiada hoy díaServicios Diferenciados, QoS más apropiada hoy día

• Por escalabilidad y sencillez de implementaciónPor escalabilidad y sencillez de implementación• MPLS como apuesta de futuroMPLS como apuesta de futuro

Magníficas características de conmutación, Ingeniería de Tráfico y VPNMagníficas características de conmutación, Ingeniería de Tráfico y VPN

C++ y la multitarea para aplicaciones eficientesC++ y la multitarea para aplicaciones eficientes• Aplicación rápida, eficiente y robusta de cara al encaminamientoAplicación rápida, eficiente y robusta de cara al encaminamiento

Encaminador DS útil para I+DEncaminador DS útil para I+D• Facilita la investigación de futuras mejoras del estándar Facilita la investigación de futuras mejoras del estándar DiffServDiffServ • Sirve de importante base para el desarrollo de otros productosSirve de importante base para el desarrollo de otros productos

Encaminador DS como producto finalEncaminador DS como producto final• Permite dar soporte QoS de forma sencilla Permite dar soporte QoS de forma sencilla • Totalmente gestionable de forma remotaTotalmente gestionable de forma remota

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Líneas futurasLíneas futuras Buscar configuración óptima de parámetros Buscar configuración óptima de parámetros DiffServDiffServ

del Encaminador del Encaminador • Para Para tráficos determinados: VoIP, videoconferenciatráficos determinados: VoIP, videoconferencia

Añadir funcionalidad para que soporte protocolos Añadir funcionalidad para que soporte protocolos • De configuración remota estándar: SNMP ó COPSDe configuración remota estándar: SNMP ó COPS• De intercambio de información de encaminamiento: BGP De intercambio de información de encaminamiento: BGP

ó OSPFó OSPF

Transformar en Agente Local de Transformar en Agente Local de MobileMobile IP IP• Partiendo de las Clases y métodos para manejo del Partiendo de las Clases y métodos para manejo del

protocolo ARP implementadas en el proyectoprotocolo ARP implementadas en el proyecto

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Autor: D. Miguel Ángel Ruiz LozanoAutor: D. Miguel Ángel Ruiz Lozano

Director: D. Eduardo Casilari PérezDirector: D. Eduardo Casilari Pérez

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