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Y APROBADAPOR ELSIGUI
COMITE
M.C. Jorge Enri uél Director de
ad6 Velasco mité
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Dr. Artura/S -Santoyoah del Comité
-M.C. Jose Luis Brisenho Cervantes Miembro del Comité
Miembyo del ee
LZ)
re.Rad Rivera Roprvauez
[IN
VvDr. Jests Favela Vara Jefe del Departamento de Ciencias de la Computacién
(Nombre del Sinodal) Miembro del Comité
MilPPOYY
Dr. Federico Graef ZiDirector de Estudios de Posgrado
EDUCACION SUPERIOR DE ENSENADA
cicese
DIVISION DE FISICA APLICADA
DEPARTAMENTO DE
CIENCIAS DE LA COMPUTACION
MODELO PARA REGULAR LA CALIDAD DE SERVICIOS
EN REDES LOCALES DE DATOSIP
TESIS
que para cubrir parcialmente los requisitos necesarios para
obtenerel grado de MAESTRO EN CIENCIASpresenta:
JESUS MARTIN GAYNOR ANAYA
MODELO PARA REGULAR LA CALIDAD DE SERVIC
EN REDES LOCALES DE DATOS IP
Resumen aprobadopor:
M.C.Jorg Prclado Velasco
Direc esis
En los ultimos 10 afios, la Internet a evolucionado de ser una infraestructura de investigaciOn a una infraestructura global de comunicaciones. La cantidad del trafico de Internet ha excedidoel trafico telefénico en ciertos enlaces transcontinentales y esto se espera ser el caso general en los primerosafios del presente milenio. También la carga de trabajo sobre la Internet, esta cambiando rapidamente de aplicaciones basadas en texto/datos a aplicaciones de multimedios, tales como los navegadores de Web,telefonia basada en JP y comunicacién por video. Para poder satisfacer las necesidades de las aplicaciones de multimedios emergentes, han surgido varios modelos que puedenser utilizados como son: Enrutamiento TOS, Servicios Integrados y Servicios Diferenciados.
Para poder manejar QoS dentro de una RLD basadaen IP, debe implementarse un modelo que ayude los usuarios hasolicitar y regular la utilizaci6n de los recursos de la red tales como ancho de banda y retardo, necesarios para que las nuevas aplicaciones de multimedios puedan correr suavemente. Particularmente el IETF (Internet Enginneering Task Force) ha propuesto nuevosservicios, tales como servicios Garantizados (G) y Carga Controlada (CC), y un protocolo de sefializacién de flujo llamado RSVP, para manejar las reservaciones de los recursos dentro de la red. Los puntos citados, son extensiones realizadas a la arquitectura de Internet referida como Servicios Integrados de Internet (Internet Integrated Services).
El modelo de Servicios Integrados de Internet fue el que se utilizo para el manejo de calidad de servicio dentro de la RedCICESE, implementandose asi un conjunto de elementos esenciales para la reservacion de los recursos y obteniendo comoresultado el envio de diferentes flujos con prioridad sobre una red en operacion.
Ensenada Baja California, México. May 2000.
MODEL TO REGULATE THE QUALITY OF SERVICE INSIDE IP LOCAL AREA DATA NETWORKS
In the last 10 years, the Internet has evolved for being an investigation infrastructure to a global communications infrastructure. The amountofthe traffic at the Internet has exceeded the telephone traffic in certain transcontinental connections and this is hoped to be the general casein the first decades of the present millenium. Also the service load on the Internet, is quickly changing of applications based on text/data to multimedia applications, such as the Web navigators, telephony based on IP and communication by video. In order to be able to satisfy the necessities with the emergent multimedia applications, several models have arisen that can be used like: TOS Routing, Integrated Services and Differentiated Services.
In order to be able to handle the quality of service within a Local Area Network based on IP, a model must be implemented that helps the users to ask and regulate the use of the network resources such as bandwidth and delay, necessary for the new multimedia applications. Particularly the IETF (Internet Engineering Task Force) has proposed new services, such as Guaranteed services (GS) and Controlled Load (CL), and a flow signaling protocol called RSVP, to handle the resource reservation within the network. This points are extensions made to the Internet architecture and is referred has the Internet Integrated Services(IIS).
The Internet Integrated Service model was used for the handling of the quality of service within the Red_CICESE, implementing a key set of essential elements for the resource reservation and obtaining as a result the transmission of different flows with different priorities over a network in operation.
Este trabajo se lo dedico:
A mis muy queridos Padres
Rosa Anaya de Gaynory Fco. Javier Gaynor Olivas
Por todo el apoyo que me hanbrindadoa lo largo de todos mis estudios, las palabras de apoyo que siempre me alentaron a seguir adelante; gracias por su comprensiony carifio que siempre herecibido sin importar
sacrificio alguno y por toda la emotividad que han compartido conmigo, conforme he logrado cada una de mis metas.
A mis hermanos
Fco. Javier y Alfredo Gaynor Anaya
Por todo su apoyoy carifio desinteresado a lo largo de todos mis estudios y con los que he compartido cada uno de mis éxitos.
Gracias MIL.
A mi hermana y Sobrina Karina Isabel y Evelyn
Porla felicidad que brinda elser tio de una hermosanifia.
A mis compafieros y amigos
A Dios, por permitirme cada mafiana el vivir un dia nuevo y realizar mis metas, porque siempreha estado a mi lado aunque yo medesvie.
A midirector de tesis M.C. Jorge Enrique Preciado y asesor M.C. Raul Rivera, por todo su apoyo, asesoria y sugerencias brindadas durante el desarrollo de esta tesis de Maestria, sin los cuales este trabajo no se hubiera llevado a cabo.
A todos los miembros del comité de tesis, por sus valiosas aportaciones y comentarios, en especial al Dr. Arturo Serrano por su amistad y consejos en la realizacion del trabajo.
A mis ex-jefes M.C. Raymundo Vega y M.C. Jorge Preciado de la direccién de Telematica, por todo su apoyo para la realizacién y culminacién de mis estudios de
Maestria.
A los maestros de CICESE, por todos los conocimientos y experiencias compartidas durante los cursos de maestria, asi como su disponibilidad para atender siempre cualquier duda o problema quese presentara.
A todoel personal del departamento de Ciencias de la Computacion, asi como al personal del departamento de Escolares, por todas las facilidades y apoyo que me brindaron, muy en especial a Margarita Jauregui por su amistad, amabilidad y disponibilidad para tratar cualquier tramite.
donde vamos’...
A Idalia Mendoza por su amistad, consejos y discusiones que muchas veces sostuvimos y siempre estuvo para apoyarmeen cada uno de mis avancesdetesis.
A Concepcion Mendoza por su amistad, apoyo incondicional y comprensién de muchasalegrias y penas. GRACIAS MY FRIEND mas que una gran amiga eres como una hermana para mi.
A mi gran gran amiga Marina Victoria por sus porras y carifio en todo momento y por hacer parte de ella cada éxito de mis Ultimos cuatro afios, gracias por ser comoeres.
A mis amigos y compafieros de generacién: Gaby, Mary, Gil, Rafilla, Octavio, Ricardo, Francisco, Urania, Martin Olguin, Luis Vizcarra y Edelmira con quienes comparti desveladas y muy gratos momento, pero sobre todo porque juntos hemos sido una buena generacion.
A mis amigos de la Licenciatura que en todo momento estuvieron al pendiente de como iba en la Maestria y siempre me echaron porras: Fernando Marin, Evelio Martinez, Leopoldo Moran, Antonio Garcia y muchos mas....
A toda mi familia (Tios, primos, sobrinos) por siempre estar a mi lado en las buenas y malas, que con su respaldo me daban fuerzas para seguir adelante en cada etapa de mi vida y que hicieron de ellos cada unos de mis éxitos.
Al CONACyT y al CICESE, por la oportunidad y ayuda brindada para la realizacion de mis estudios de Maestria.
Pag.
[ Introduccion 22.0.0... cece cece cee ceeee ne ee eee eee eeeeseeeeseseeseeeceeaeueseeeeeaereeneeeeenneneas 1
LIAMPCCOUGES cssavessewesess sasweanesacinsssistasacdccnongeys sor meeeeenenerssenns syenendennsaneens1 1.2 Marco de Referencia del Problema ...ccccecceececceccecceececcessceceseessecsZ
1.3 Objetivo y Metas ...ccccececcssseecescececesceceseeceeeeseeeeecetesssessseuaeceseesensss6
1.4 Alcance de la Tesis ...cccccccscccccccsccscescesceeceecesttscsceeccesccecsecseccseusees7 1.5 Unfraestructire WHA wcscvcccosss cosssncnnnensesssssensanewassascaanssds sccnneenens oversee7 1.6 OrganizaciOn del Trabajo ....0.0.ssesesccsvccsenssssssscstivcascccscossocvceererseeseeseenas8 IT Calidad de Servicio 2.0.00... ..c cece cee eceecee ee eee ee eeeeaeeeeeeeeeseueeeeeeeeseuuiceseeseenees 10 LY Detrer0h ers ss cerearemencer rs persermerusnass 1 seaeREENENENN sommneNeNeKa La emeeRas Bae 10 T1.2 gQué es calidad de S€rvicio? seses s+ cssesenanwnesas ss csvauwsessuaaneaeead ds Abbessekes scene 10 TELL (OG 28 CANA? ccsves wivesnnmmanasnns sex eeTRaNRNE AEs (5iRsarensrmewronereecoone eeNes 10 LL22 PQME CS SEFVICION casas sianmsnssawecncs casas ceaeiiedcdes oewevessy regeexsenenes seen? a 1.2.3 Retardos de llamadas y CONEXIONES 2.2... .cccccccscccceencecaceenacesacenaseeeeesees12 17.2.4 Caudal eficaz (Throughput) ...cccccccccccccccccccsccecccecccessssesccescceeecees 14 11.3 Mecanismos decalidad de servicio en ATM ...ccecccescesccescccenscecesceeees 14 Il.4 Calidad de servicio sobre LP 22... .ceexsscesseneee 1 sr mermmensesnes 1 eeawameeneNenna 6 aaaeTe 15 ILAT Berutamiete TOS ccssnesssssesemnmnceseuien11 exmenawemeasind seeks saaweumaas ibaa I5 TLAD Servicios INICRTOAOS senunesun sss vensenswussenas 40 wewanseaTREnses AAT RRTA cee 0 eemennges 21 IL4.3 SEPVIGOS DICPENCIAAOS sxaasisssssnwnnwnnvaescdss isaancedecrcegs oo seenuerereeyenerese21 II Servicios Integrados ... 0. ce cence eee eee cence eee e neces eee ene seas eeeeneeeeaeeas 23 TELS DbroOWermcevess ee rrreecnerens 11 prerumncenmanes 1 yr reeeeeennne) HeaEEeEss Dre23 III.2 Constituyentes basicos para el manejo de trafico de tiempo-real...23
III.3 Aplicaciones previas (Playback) y parametros de calidad deservicio... 25
LULA MUCAS€ sinncoacs sis saccannccunes 04 seenswnawecenan ss 1 aNaNWRREGNASSSd 1 ADSARSEAeOnene s ooneses27 III.5 Protocolo RTP (Real-Time Protocol) ...c.cceccccceseseeseeeesceeceeeseeesceeeees28 III.6 Tipos de servicios en Servicios Integrados ...cccceseeeeeeceeceeeeeeeeseeenees30
1.6.1 Clasificacion de trdfico y de Aplicaciones ...ssccecccccccceccecceecceeseees 30
1IL6.2 Compromise dt Servvicle? cnceoccrssys srenemaererss: sarmnns |r eKexEneKes «pene ss SOE32 JIL.6.3 Servicio del MejOT-CSfUETTCO o0000.o0. vvsnxscunens ess cexneeneesates s weeseeuaees smea3 LIL 6.4 Galidad de servicid BATANTIZOO oscccess exsxnawcencscansensns s ensauwaans as vanens33 LILG.S Servieie dé CarG0 CORIPOIANG cscanecasnass venssesies aawasnminnseesimwinss acanwnsinns es34 IV Algoritmos para el manejo de Calidad de Servicio 20.0.0... cece eee ee ence ene eneeee ens 36
DV.1 Unitradcei6n oii isssscsmencass sss ssmenmneenesesese 606041 si sceeneceeecee sooarenneneee seeemens 36
Pag.
IV.23 Alributos claves dé RSVP ssssssswsewssewwases ss evenness ove saannsstsonseas sanaracaes cs40 TV3 Control de (AGO isis ssssssccnceewsss i ssswsnsnnnaasss1sssantatacdcinds ovcssgeengeeoeene ses 42
IV.3.1 Mecanismo FIFO ...cccccccccccccncecccccccencesneeseeeesseeceesseeeseesseesseeeees 43 IV.3.2 Mecanismo de colas conprioridad (PQ) ...0..e00e00SAHA SEALRRNTRTOTIOTR 8 #944 IV.3.3 Mecanismo de colas con pesos (WEQ) ..cccccccsccccccccccceecccescesssececseees 45 IV.4 Mecanismo CBQ {Qué es CBQ? ...cccccesseeseescecscesesesceecseseceesseecsseees 47 IV.4.1 Terminolotia dé CEO siscsasusus svewvsmanawssss 0 sweaanencwnwes ssaneunswiaaumwncass47 IV.4.2 Elementos de CBQ (Class Based Queue) ....cccccccccccccccencccncescceceeeeaes 49 IV.4.3 Requerimientos para el enlace compartido jerdrquico ...0. cece eeeesnees 50 IV.4.4 Reglas de comportamiento de CBQ ...ccccccccccccecsececcceececcscecesaeeeseees 52 TV.5 CBQ ern Linux ... ccc cece ence cece escceenccceeeessesseseenseessessseseeseseeessesseees 54
IV.5.1 Operacioén de CBQ en conjunto con RSVP ...ccccccecececesceeeeceencenseens 55
V Implementacion de la plataforma prototipo para el manejo de calidad de servicio ....57
V1 ImtroducciOn ... ccc cece cccce cece cece esee een eeeeeeeeeeeeeeeeaseeeeseeeeeeenssseeasensees57 V.2 ¢Porque la necesidad de contar con una interfaz para realizar peticiones de Calidad de ServiclO? ...ccccssceeeeeeecce ence eres e eens eeeeeeeeeeeeeeeeeeseeeeeae eens eeues57 Vi2ZL ARCHIVO Me COMANGOS oxecessesccasess scossnnncneensemoases 4408 senees 5 eseOONNENEE 1 eEsee 57 V.2.2. Interaccion directa conelprotocolo por linea de comands...000065 58 V.2.3 Codificacion directa en las aplicaciones @ UtiliZAr ...ccceccececcecesenceeeeeees 59 V.2.4 Interfaz Grafica del Usuario (GUI) 0... cece ccc cecc cece ccenceenceeecessesenseeeees 61 V.3 Configuracion de la red experimental...cceccceesceeceeeeeeeeeeeesseeseseees 62 V.4. Modelo para la utilizaciOn de la interfaz ...cc cece eee ece cece eee eeeceecetteeeees 66 V.5 Modo de empleo de la GUI ... ccc cece cece eee eee eeceeeessece eee eeeeeeseeeseeseeeees 68
VI Analisis de Resultados 2.2.0.0... 00... cece ec e cece ee eee n ten eee ne ene en ne eee ene tenn neon 71
VIL ItOdttGi60 cccsscasesas ss saveenanesseas sseswansamenc 4110s sweussannvewanecswnes «a sasanaeeees 71 VI.2 Envio de videoconferencia, empleandola configuraciOn No. 1 ...eeeee 72 VI.2.1 Videoconferencia sin reservaciOn; CONfIZUFACION 1. ....cscce cee ecssseceeeeeees 75 VI.2.2 Dobleflujo de videoconferencia de diferentesfUeNtES ...c.ccecceeeeeevees 78 VI.3 Envio de videoconferencia, empleandola configuraciOn No. 2 ...sceeeeeees 81
VI_3.1 Envio de videoconferencia Sin reSCrvaciOn ...cccccccccccecnccceccesceeeeessessees 82 VI_3.2 Envio de videoconferencia CON FeSCrvaCiONn ...ccccceccccceccccnccscceenceeseees 84 VI.4 Envio de videoconferencia, empleando la configuracién No. 3 ...eseeeeees 87 VI.4.1 Envio de videoconferencia Sin reSCrvaCiONn ...cccccccccccccneccesseeecceseeesenees 88 V1.4.2 Envio de videoconferencia CON FeSCrvaciOn ....ccccecccncencceenceeccesseeeesees 90
Figura Pag.
] Campo TOSdel encabezado IP 13
2 Campo TOSdel encabezado IP 17
3. Ubicacién del protocolo RTP en el modelo de referenciaOSI 29
4 Encabezado RTP 30
5 Modelo Token Bucket 31
6 Diseiio de RSVP 38
7 Flujo de los datos 39
8 Mecanismo FIFO 43
9 Mecanismodecolas con prioridad (PQ) 44
10 Mecanismo de colas con pesos (WFQ) 46
11 Esquemade funcionamiento de CBQ 49
12 Disefio jerarquico de CBQ 52
13. Diagramade estados de RAPI 60
14 Interfaz Grafica del Usuario 62
15 Arquitectura de dos subredes conectadas a través de un enrutador 63
16 Dos subredes conectadas por medio de un conmutadory enrutador 63
17. Tres subredes conectadas mediante un enrutador 64
18 Configuracién de tres subredes conectadas mediante dos enrutadores 65
19 Esquemadeutilizacién y funcionamiento dela interfaz 66
20. ~=Interfaz grafica para el usuario 68
21 Esquemadela red; experimento No.1 72
22 Tasa de recepcién de los datos correspondiente al experimento 1 73
con reservacion
23 Distribucién del retardo de trafico con QoS 74
24 Tasa de transmisi6n del experimento 1| sin reservacion 75
25‘ Distribucion del retardo de trafico sin manejo de QoS 77
26 Experimento No. 1 con dos fuentes emisoras de flujos 78
27 Tasa de recepcion del experimento 2; flujo con QoS 79
28 Tasa de recepcién del experimento 2 correspondiente al flujo 2 80
29 Esquemadela red; experimento No.2 81
30 Tasa de recepcién de paquetes sin reservacién de recursos 82
31. ~Distribucion del retardo 83
32 Tasa de recepcion del flujo 1, con reservacion de recursos 85
33. Retardo de paquetesdelflujo 1, con reservacién de recursos 86
34 Esquemadela red del experimento No. 3 87
35. Tasa de recepcién de paquetessin el manejo de QoS 88
36 Retardo de paquetesdel flujo 1, con reservacién de recursos 90
37 Tasa de recepcion de los paquetes con QoS 91
Tabla Pag.
I Resultados del envio de un solo flujo de videoconferencia sin QoS 73
I Resultados del envio de un solo flujo de videoconferencia sin QoS 76
Ili Resultados del flujo del primer nodo emisor de videoconferencia, 79
sin QoS
IV Resultados del flujo del segundo nodo emisor de videoconferencia, 81
sin QoS
V Resultados obtenidos del experimento No. 2, sin manejo de QoS 84
VI Resultados obtenidos del experimento No. 2, con manejo de QoS 86
VII Resultados obtenidos del experimento No. 3, con manejo de QoS 89
EN REDES LOCALES DE DATOSIP
| Introduccion
1.1 Antecedentes
Actualmente las redes de datos son muy populares, hasta la computadora mas
pequefia puede ser incorporada facilmente a una red. Los usuarios al hacer uso dela red,
perciben dos aspectos muy importantes: la velocidad con la que extraen informacidn y la
disponibilidad o accesibilidad de la misma. Estos dos puntos son esenciales para que los
usuarios juzguen el buen funcionamiento de una red. Los servicios esenciales que una red
provee son: transferencia de archivos, conexién remota(telnet) y el correo electrénico.
Sin embargo, es claro que en los Ultimos afios la naturaleza del trafico sobre redes
locales ha estado cambiando. El tipo de trafico de datos que hace unos cuantos afios se
basaban en texto, eran el unico tipo detrafico, el trafico de hoy se orienta a multimedios
(combinacion de graficos, texto, video, audio) y por consiguiente, existe un aumento en la
demanda del ancho de banda.
El concepto de calidad de servicio cuyas siglas en inglés QoS (Quality of Service),
ha evolucionado rapidamente en los ultimos afios. Recientemente, el término de QoS,esta
relacionado con ciertas caracteristicas del desempefio de una red, fuera del control o de la
computo.
A principio de los 90s, el concepto de calidad de servicio dentro de la arquitectura de
comunicaciones era muy reducido. Durante este mismo tiempo,la Internet solo permitia la
especificacién de calidad de servicio a los servicios basados en IP tales como "bajo
retardo", "alto caudal eficaz" (throughput) y "alta seguridad". Sin embargo, la arquitectura
de Internet esta basada en el modelo de desempefio del "*ejor esfuerzo", el cual nunca fue
disefiado para manejar calidad de servicio, necesario para un amplio rango de
comunicaciones de multimedios. En la Internet, la transferencia segura de datos fue la meta
principal y hasta hace poco, el desempefio de la calidad de servicio en Internet era una
consideracion marginal [Braden R.et al ., 1994).
1.2 Marco de Referencia del Problema
En los ultimos 10 afios, la Internet a evolucionado de ser una infraestructura de
investigacién a una infraestructura global de comunicaciones. La cantidad del trafico de
Internet ha excedido el trafico telefoOnico en ciertos enlaces transcontinentales y esto se
espera ser el caso general en los primerosafios del presente milenio.
Sobre la Internet y en cualquier otra red, al hablar de la calidad de servicio nos
referimos a la forma en la cual, el desempefio de la red es percibido por los usuarios. Este
recibe de la red. El manejo de la calidad de servicio es una preocupacion particular para la
transmisiOn continua de video e informacién multimedia, que requiere un gran ancho de
banda. El transmitir este tipo de contenido es dificil dentro de redes publicas utilizando los
protocolos ordinarios de hoy en dia [Petrosky 1998].
Las tecnologias de calidad de servicio, son componentes fundamentales de una red
inteligente, que ofrecen a las organizaciones los mediospara controlar el trafico en la red.
Los mecanismos empleados, permiten a los clientes de las empresas al igual que los
operadores y proveedores de servicio, proporcionardiferentes clases de servicios basados
en las aplicaciones y los requerimientos del usuario, es decir, se debe formar un contrato de
trafico entre el usuario y la red.
Una red local de datos (RLD), es un sistema de comunicacion de datos con alta
velocidad, que se encuentra limitada tanto por el numero de nodos que pueden estar
conectados a la red, como porsu cobertura maxima.
Dentro del ambiente de una RLD,los administradores tendran la opcidn de dotar sus
redes de capacidades en exceso, utilizando tecnologias tales como gigabit Ethernet y
servidores de enlaces con carga compartida, para evitar la necesidad de la calidad de
servicios. Para las organizaciones cuyas aplicaciones solamente transportan datos dentro de
su red, sera posible evitar los problemas de desempefio agregando mas ancho de banda a la
red. Sin embargo, para las organizaciones que manejan ambientes de red dinamicas, que
video-en-obtener un nivel aceptable de voz y video que requieran [Petrosky, 1998].
El modo de transferencia asincrona (por sus siglas en inglés, ATM), es un modo de
transferencia para aplicaciones de multimedios, donde se requiere de un gran ancho de banda y la informacién es una combinacién de voz, video y datos. ATM contiene un rico soporte para proporcionar funciones de calidad y servicio. Sin embargo, para redes IP estas
funciones todavia no estan definidas, aunque estas sean funciones muysimples y faciles de entender, dentro de redes IP son dificiles de implementar.
Debe de existir una manera explicita o implicita para que las aplicaciones indiquen a la red los requerimientos de calidad y servicio, asi como un mecanismo por mediodel cual los nodos finales intercambien informacion acerca de los requerimientos de red, necesarios
para el usuario de la aplicacion o servicio, para que en un determinado momento la red puedareservarlos recursos apropiados.
La Internet Engineering Task Force (IETF) es una comunidad internacional de
disefiadores, operadores, vendedores e investigadores en redes de datos, interesados en la
evolucion de la arquitectura de Internet y su facilidad de operacion. Las reuniones de la IETF a través de la Internet, han realizado una serie de experimentos de gran escala, enviando voz y video digitalizado a través de la infraestructura de conmutacién de
paquete en llegar, primer paquete en ser servido (FIFO) en cada salto (hop) en la red. Este
servicio ha trabajado excepcionalmente bien para el correo electrénico, acceso al WWW,
telnet, transferencia de archivos(e.g. ftp), etc. Para el trafico en tiempo real tal como voz
y/o video, la Internet actual se ha desempefiado bien sdlo en redes con poca carga. Para
poder proveer una calidad garantizada a trafico en tiempo real, se estan introduciendo
dentro de la Internet nuevas clases de servicios y protocolos, reteniendo el servicio del
mejor esfuerzo existente. El sefialamiento para estos nuevos servicios es realizado por
RSVP, el Protocolo para la Reservacién de Recursos (Resource reSerVation Protocol)
[Berson S., 1996].
El protocolo RSVP, es parte de un gran esfuerzo realizado para mejorar la
arquitectura actual de Internet con soporte de flujos de calidad de servicio. Este protocolo
es utilizado por un nodo para requerir de calidades de servicios especificos de la red para
flujos de datos en aplicaciones particulares. También es utilizado por los enrutadores para
enviar solicitudes de calidad de servicios a todos los nodos a lo largo del camino de los
flujos, asi como para establecer y mantenerel estado para proveerlos servicios solicitados.
El utilizar RSVP no significa que el trafico del Web trabaje mejor, no esta destinado a ser
ATM (Asynchronous Transfer Mode), de hecho, el modelo original para RSVP esta
basado en un numero pequefio de sesiones de videoconferencia o multicast corriendo sobre
IP.
No solo la calidad de servicio en tiempo real es el Unico punto para el manejo del
poder tener la capacidad de dividir el trafico en unas cuantas clases administrativas y
asignar a cada una, un porcentaje minimo del ancho de banda del enlace bajo condiciones
de sobre carga, permitiendo que el ancho de banda que no esta siendo utilizado sea
disponible.
Es por eso la importancia de proveer un mecanismo que nos proporcione las
facilidades para un manejo de los servicios integrados dentro de la Internet, y que
establezca la QoS quese utilizara dentro de las redesIP.
1.3 Objetivo y Metas
El objetivo general de este trabajo de tesis es:
"Establecer los mecanismos necesarios para asegurar la calidad de servicio en
una Red Local de Datos basadaenel protocolo IP. "
Para llevar al cabo el objetivo de la tesis, se plantearon las siguientes metas u
objetivos particulares:
e Identificar los tipos de aplicaciones y datos que circulan enla red.
e stablecer los parametros de calidad de servicio que se manejaran dentro de la
Red_CICESE.
e Establecer politicas para la utilizacién del ancho de banda dentro de redes IP.
e Controlarel flujo de informacion, dentro de la dorsal de la Red_CICESE.
e Controlar el trafico de usuario a usuario final, dentro de la Red_CICESE.
A partir del objetivo y las metas planteadas anteriormente, los alcances de la tesis se
acotaron a lo siguiente:
e Identificacién de las clases de servicios que pueden ser manejados dentro de la
Internet y que son requeridos porlos usuarios de la misma.
e Identificacién de la calidad de servicios que puedeser proveida por unared.
e Definicién de los elementos necesarios para el manejo de la calidad de servicio
dentro de Internet.
e Implementacion del protocolo de sefializacién.
e Implementacion del calendarizador de paquetes en el enrutador.
e Implementacion del clasificador de paquetes en el enrutador.
e Integracién del control de trafico con el protocolo de sefializacion.
e Analisis del funcionamiento del modelo de reservacion de recursos implementado
dentro de la Red_CICESE.
1.5 Infraestructura utilizada
Para el desarrollo del trabajo se utilizo la siguiente infraestructura disponible en
CICESE:
e Dos computadoras personales con procesador Pentium II de 300 Mhz , con un
disco de 4 Gb y 64 Mb en RAM contarjeta de red.
e Acceso a Internet.
e Los Sistemas Operativos que se utilizaron fueron: LINUX RedHat 6.0 y FreeBSD
2.2.7, al igual que Windows98y Solaris 5.2.
e Dosenrutadores Pentium de 200 Mhz y 16 Mb en RAM.
e Para la realizaciénde la escritura de la Tesis, se apoyo de paquetes de software
como el Microsoft Office, VISIO, Corel Draw.
e Biblioteca (CICESE y San Diego)
1.6 Organizacion del Trabajo
La estructura del resto dela tesis es la siguiente:
En el Capitulo I se define el concepto de Calidad de Servicio, asi como una
introducci6n a varios mecanismos que han surgido, para proveerla sobre redes IP. El
Capitulo III muestra los servicios Integrados propuestos por el IETF para el manejo de
Calidad de Servicio en redes IP, que son extensionesrealizadas a la arquitectura de Internet.
El Capitulo [TV muestra los algoritmos existentes para el manejo de calidad de servicios y se
enfoca a dos de estos algoritmos: CBQ y RSVP, los cuales por su naturaleza fueron
tomadosde base en este trabajo. El Capitulo V describe la plataforma de red prototipo que
se utilizé para el manejo de calidad de servicio dentro de la RedCICESE, y también la
Capitulo VII incluye las conclusiones y recomendaciones para trabajo a futuro, sugeridas
por este trabajo. Ademasse incluye un Apéndice, el cual muestra la documentacion de los
programasutilizados porel emisor y el receptor para realizar la solicitud de recursos de la
Il Calidad de Servicio
ll.1 Introduccion
En los ultimos afios se ha visto un incremento en la investigacion, para proveer
calidad de servicios (QoS porsus siglas en inglés Quality of Service) dentro del protocolo
Internet (IP). A continuacién, se muestra una introduccién a varios mecanismos que han
surgido, para proveer calidad de servicio sobre redes IP y como los mecanismos de QoS
disponibles en redes ATM,pueden ayudarpara proveerla calidad de servicio en IP.
Il.2 Qué es calidad de servicio?
Calidad de servicio es un término que hasido utilizado de distintas maneras. Para
poder definir lo que es calidad de servicio es necesario saber que es calidad y que es
Servicio.
11.2.1 Que es calidad?
Calidad puede abarcar muchas propiedades en el ambito de redes, pero la gente
generalmenteutiliza calidad para describir el proceso de proporcionar datos de una manera
segura y hasta de una manera mejor que la normal. Este método incluye aspectos como
pérdida de datos, retardo minimo inducido (0 latencia), varianza de retardo (jitter), y la
capacidad para determinar el uso mas eficiente de los recursos de red (tales como la
"Servicio" puede cubrir un amplio intervalo de ofrecimiento, desde correo electrénico
hasta video, desde navegadores de Web hasta cuartos de platica (chat room) [Braden R.,
1989].
[1.2.2 gQue es servicio?
El término servicio también introduce ambigtiedad; dependiendo de como una
organizacion o negocio esté estructurado, servicio puede tener diferentes significados. Las
personas generalmente utilizan él termino servicio para describir algo ofrecido a los
usuarios finales de cualquier red, como comunicacién o aplicaciones cliente-servidor
[Braden R., 1989].
Sobre la Internet y en otras redes, calidad de servicio (QoS), es la medicion de
caracteristicas comotasas de transmision y tasas de error, que pueden ser mejoradas y en un
punto extendidas y garantizadas con anterioridad. QoS concierne en particular, a la
continua transmision de informacién de multimedios y videos, que requieren grandes
cantidades de ancho de banda. El transmitir este tipo de contenido, es dificil en redes
publicas utilizando los protocolos ordinarios del "mejor esfuerzo", el cual intenta entregar
los paquetes lo mas rapido posible.
Calidad de servicio esta descrita dentro de la Recomendacién E.800 de la CCITT
como: "El efecto de servicio colectivo de desempefio, el cual determina el grado de
satisfaccién de un usuario de ese servicio".
Esta es una definicion subjetiva y vincula la calidad de servicio con la percepcion del
caracteristicas especificas cuantitativas, medibles y controlables, para proveer una calidad
de servicio especifica. Estas caracteristicas son listadas a continuacion:
[1.2.3 Retardos de Ilamadas y conexiones
El retardo experimentado por el trafico (flujo de paquetes), es un aspecto muy
importante de la calidad de servicio percibida por el usuario. Varios aspectos de retardos
tienen un diferente impacto sobre diferentes servicios:
e Retardo de fin-a-fin
e Variacion del retardoo jitter
Las aplicaciones de tiempo-real interactivas (e.g, comunicacion de voz) son sensitivas
tanto al retardo de fin-a-fin como al jitter, ya que los retardos grandes reducen la
interactividad de la comunicacion. Las aplicaciones no interactivas de tiempo-real, no son
sensitivas al retardo de fin-a-fin, pero si son afectadasporel jitter. El jitter, usualmente se
puede alojar utilizando un almacenamiento temporal (buffer) en el receptor, donde los
paquetes recibidosa través de la red son almacenados y después se pueden reproducir a su
debido tiempo compensado. Este tiempo compensado esta determinado por la maxima
variaciOn del retardo. Las aplicaciones que se pueden ajustar a estos cambiosenel jitter, se
llaman aplicaciones adaptativas. Los paquetes que llegan después del punto de replica,
generalmente no son utiles a la aplicacion.
Las aplicaciones que no son de tiempo-real, no son sensitivas al retardo. Sin embargo,
debido a que estas aplicaciones pueden utilizar medidas de retardos para controlar su
sea enviado (e.g, FTP), la calidad de estas aplicaciones también se puede ver afectada,
debido a grandes retardos variables. La figura 1, muestra una clasificacién de las
aplicaciones.
Aplicaciones
oNreal Elasticas
Adaptativas ™Sadaptativas Interactivas Interactivas Asincronas
4 \, / \ en bulto
A retardos A velocidades A retardos A velocidades
Figura 1: Clasificacion de aplicaciones.
Los componentes que pueden formarel retardo de fin-a-fin son:
e Retardo de transmision: Este es el tiempo que se toma en ponertodos los bits de
un paquete dentro del enlace.
e Retardo de propagacion: Es el retardo que tarda un bit en atravesar un enlace
(usualmente, a la velocidad dela luz).
e Retardo de procesamiento: El tiempo que toma en procesar un paquete dentro de
los nodos intermedios (e.g, enrutandolo al puerto de salida).
e Retardo en la cola: El tiempo que un paquete debe esperar dentro de unacola,
antes de que este sea calendarizado para ser transmitido. En los nodosfinales,
puede haberretardos adicionales en tomar los paquetes de la interfaz de red hacia
[1.2.4 Caudal eficaz (Throughput)
El aspecto principal del caudal eficaz es la cantidad de ancho de bandadisponible a
una aplicacién. Este determina la cantidad de trafico que una aplicaciédn puede
obtener/emitir a través de la red. Otros aspectos importantes son. los errores (generalmente
relacionadoscon las tasas de error del enlace) y las pérdidas (generalmente relacionadas a
la capacidad del almacenamiento temporal (buffers)).
Ciertas aplicaciones pueden reducir su velocidad de trafico en respuesta a
indicaciones de bajo caudal eficaz, tales aplicaciones son llamadas "adaptativas a la
velocidad".
El caudal eficaz dependede los siguientes factores:
e Caracteristicas del enlace: Ancho de banda,tasa de error.
e Caracteristicas del nodo: Capacidad de procesamiento, capacidad de
almacenamiento temporal.
Como se puede ver de la seccion anterior, existe un numero de caracteristicas de
varios elementos de red, tales como, nodos/terminales, enlaces y
enrutadores/conmutadores, que determinan la calidad de servicio que sera proporcionada a
las aplicaciones, en términosde retardos y métricas de caudaleficaz.
1.3 Mecanismos de calidad de servicio en ATM
ATM provee conun rico conjunto de mecanismosde calidad de servicio, utilizando
un modelo de ingenieria de trafico basado en reservaciones. Especificamente, las siguiente
Circuitos Virtuales (CVs): Los CVs proporcionan a ATM mecanismos para
diferenciar el trafico y clasificar los paquetes. Los campos VPI/VCI dentro de los
encabezados de los paquetes, proveen un mecanismoeficiente para clasificar rapidamente
los paquetes.
Categorias de servicios y descriptores de trafico/QoS: ATM provee un numero de
categorias de servicios tales como CBR, VBR, ABR y UBR, los cuales proveen de
diferentes niveles de servicios con respecto al retardo y caudal eficaz. Un CV que requiera
una categoria de servicio particular, puede especificar sus caracteristicas de trafico y
requerimientos de QoS utilizando parametros explicitos, tales como, SCR, PCR, MBS,
CTD, y CDV.Entonces, ATM proporciona una buenagranularidad para diferenciartrafico
y asociarcaracteristicas de QoSconel trafico.
Sefializacion de QoS y enrutamiento: ATM provee unasefializacién dinamica y
protocolos de enrutamiento (por lo menos, para redes privadas) para fijar reservaciones de
recursos. El protocolo de sefialamiento es basado en un "hard-state" (estado de reservacion
explicitamente establecidos y removidos dentro de los nodosdela red, utilizando métodos
de sefializaci6n seguros); esto es en contraste a las reservaciones "soft-state" establecidas,
en las cuales los estados de reservacidn son canceladas, si no son actualizadas
periddicamente. Los mensajes de sefializacidn contienen las caracteristicas de QoS y de
trafico, las cuales son utilizadas por los nodosde red pararealizar el control de admisi6n,al
igual que enrutar la solicitud de reservacién a lo largo del camino que es probable que
satisfaga la calidad de servicio solicitada.
Mecanismos inteligentes de colas: Los nodos de red en ATM implementan
de acuerdo la reservacion de recursos realizadas por ellos. Esto puede involucrar el
establecer ranuras de tiempo y capacidad de almacenamiento temporal para los CVs. No es
necesario hacer por cada CV encolamientos en orden de proveer una QoS adecuada.
ll.4 Calidad de servicio sobre IP
Varios mecanismos se han sugerido para proveer calidad de servicio sobre el
protocolo Internet IP. Estos mecanismosson:
e Enrutamiento TOS (porsus siglas en inglés Type of Services)
e Servicios Integrados
e Servicios Diferenciados
11.4.1 Enrutamiento TOS
Cuandoel protocolo IP fue especificado dentro del RFC 791, a pesar de que el campo TOS dentro del encabezado IP fue proveido, este no fue utilizado por la mayoria de los enrutadores. El enfoque era el enrutamiento de paquetes a su destino final y no el de proveer calidad de servicio garantizada de cualquier tipo. El formato del byte (palabra
4-Bits Encabezado pe ie ae Tamaiio total(en bytes) 16-Bits | 4 Bits
S3Bis.
4-Bits
eit
Preferencia Tipo de Servicio eon
Fier a)
No se usa
Figura 2: Campo TOSdel encabezado IP.
Este byte es interpretado de la siguiente forma:
Bit 3. 0 - Retardo Normal 1 - Bajo Retardo
Bit 4 O - Caudal eficaz Normal 1 - Caudal eficaz alto Bit 5 0 - Veracidad Normal
1 - Veracidad alta
El control de precedencia es interpretado de la siguiente forma,bits 0-2:
111 Control de Red
110 Control de inter-red
101
---100
001
---010 Inmediato
001 Prioridad
000 Rutina
Los Bits 6 y 7 no son utilizados por ahora, estos son puestos a 0.
La utilizacion de un caudal eficaz alto / seguridad alta / retardo del enlace bajo, puede ser muy costosa para los usuarios finales. Las primeras redes que implementaron el
enrutamiento TOS fueron AUTODIN Il, ARPANET, SATNET, y PRNET. Estas
implementaciones, tienen sus propias conversionesdel tipo de servicio.
Los requerimientos para los nodos IP desde la perspectiva de comunicacion y desde el punto de vista de aplicacién, como es especificado en los RFCs 1122 y 1123 abogan por
el uso de los bits TOS dentro de los nodos. Estos RFCs, recomiendanla utilizacioén de los
primerostres bits dentro del campo TOSparala prioridad o preferencia, y el resto de los
bits para especificarel tipo de servicio requerido. Sin embargo, los bits especificados en el campo TOSno se han tratado dentro de RFC 1122 y RFC 1123.
Los servicios integrados IS-IS [Oran, D. 1990] y el OSPF (por sussiglas en inglés Open Shortest Path First) son dos algoritmos de enrutamiento los cuales son capaces de
IS-IS retiene el mismo formato para el byte TOS dado en [RFC 791]. Los primerostresbits
especifican la preferencia y no afectanla ruta.
000 Todo Normal
100 Retardo Bajo
010 Caudal Eficaz Alto
001 Confiabilidad Alta
Otro Por omision
El algoritmo de enrutamiento OSPF calcula diferentes rutas a un destino para cada
tipo de servicio IP. Esto es, construye diferentes arboles para cada TOS. Para poder
diferenciar las rutas basadas sobre el campo TOS, se asocian costos con las rutas. El OSPF
codifica el campo TOSen el anuncio del estado del enlace. El siguiente cddigo es utilizado
en el intercambio de los paquetes de enrutamiento.
Codificacién OSPF D T R
0 0 0 0
4 0 0 1
8 0 1 0
12 0 1 1
16 1 0) 0
20 1 0 1
24 1 l 0
28 1 1
1
En [Almquist, P. 1992] discuten bastante sobre el enrutamiento TOS la estructura
de TOS definida [Almquist, P. 1992] se mostré en la figura 2. Esta estructura es diferente
de la propuesta en [RFC 791], en el cualel bit 6 también es utilizado como un bit TOS. Los
primeros tres bits (bits de preferencia) indican la importancia del paquete. Los bits TOS
indican los cambiosentre el retardo, caudal eficaz, veracidad y costo. Aun asi existe una
diferencia en el formato del byte TOS, este esquemaesta disefiado para ser compatible con
los algoritmos de enrutamiento que fueron discutidos. Los cuatro bits del byte TOS son
tratados de la siguiente manera:
1000 Maximizar retardo
0100 Maximizarcaudaleficaz
0010 Maximizarla veracidad
0000 Servicio Normal
Losbits de preferencia sirven para diferenciar entre varios flujos de trafico, basados
en la relativa importancia de los flujos individuales. Cuando un enrutador implementa
servicios de preferencia ordenados, asegura que un paquete con cierta prioridad no sea
Similarmente los mapeos de preferencia de nivel bajo, aseguran que la prioridad de los
paquetes sea mantenida a nivel del enlace también.
11.4.2 Servicios Integrados
Los Servicios Integrados, proponen fundamentalmente un modelo nuevo para las
redes IP, el cual se separa del modelo del "mejor-esfuerzo" e introduce nuevos servicios,
tales comoservicio garantizado (retardo/ancho de banda) y carga controlada. Este modelo
se fundamenta en ingenieria de trafico basado en reservaciones; reserva los recursos
utilizando explicitamente un protocolo de sefialamiento dinamico y emplea control de
admision, clasificacién de paquetes y calendarizacion inteligente para alcanzarla calidad de
servicio deseada. Enel siguiente capitulo se hablara de este punto masa fondo.
11.4.3 Servicios Diferenciados
La demandacontinua de los Proveedores de Servicios de Internet (por sus siglas en
inglés ISP) por mecanismos practicos y escalables, para proveer diferentes niveles de
servicios a sus usuarios principalmente conducido por el interés comercial, de ofrecer
diferentes servicios a diferentes precios, ha forzado que en ausencia de untipo de servicio
seguro, las corporaciones no podran poner datos de misidn-critica sobre la Internet. El
crecimiento de tales aplicaciones como voz sobre IP y redes virtuales privadas, esta atado a
la habilidad de la infraestructura de red a proveer alguna forma de servicios diferenciados
El modelo de Servicios Diferenciados (por sus siglas en inglés DS) se basa en trafico
sin reservacion. Este modelo clasifica los paquetes en un nimero pequefio de tipos de
servicios y utiliza mecanismos de prioridad, para proporcionar una calidad de servicio
adecuadaal trafico. El objetivo principal de este mecanismo es asignar el ancho de banda
de la Internet a diferentes usuarios en una forma controlada durante periodos de congestion.
Este mecanismose aplica igualmente a aplicaciones tradicionales basadas sobre TCP,tales
como transferencia de archivos, accesos a bases de datos o Servidores de Web, y nuevas
clases de aplicaciones tales como audio o video en tiemporeal. Los Servicios Diferenciados
pueden proveer a los usuarios, una expectativa predecible del servicio que la Internet le
proveera en tiempos de congestion, y permite que diferentes usuarios obtengan diferentes
niveles de servicio de la red. En contraste con la Internet de hoy en dia, en la cual cada
usuario obtiene una parte impredecible de la capacidad de la red [Clark D.et al., 1997].
Este modelo no emplea alguna reservacién de recursos explicita o control de
admision, aunque los nodos de red tienen que utilizar un mecanismodecolas inteligente
para diferenciar el trafico. Los Servicios Diferenciados y tépicos relacionados coneste
lll Servicios Integrados
Ill.1 Introduccion
La arquitectura de Servicios Integrados (por sus siglas en inglés IntServ), fue
disefiada para proveer un conjunto de extensiones al modelo de entrega del
"mejor-esfuerzo", con el cual fue disefiada y concebidala Internet. El marco de trabajo IntServ, fue
disefiado para proveer un manejo especial, a diferentes tipos de trafico y un mecanismo en
donde las aplicaciones puedan escoger, entre multiples niveles de servicio de entrega para
su trafico. Esta arquitectura es similar en concepto, a los mecanismos técnicos expuestos
por ATM (Asynchronous Transfer Mode), el cual provee servicios garantizados, al igual de
diferentes niveles de mejor-esfuerzo a través del mecanismo de "carga controlada". De
hecho, la arquitectura de servicios integrados y ATM, son de alguna manera andlogos, ya
que IntServ provee un sefialamiento de parametros de Calidad de Servicio (QoS) en la capa
3 del modelo de referencia OSI (Open SystemInterconnection), mientras que ATM provee
un sefialamiento de parametros de Calidad de Servicio en la capa 2.
I11.2 Constituyentes basicos para el manejo detrafico de tiempo-real
La idea de poder ejecutar aplicaciones de tiempo-real sobre redes de conmutacién de
paquetes comola Internet es muy atractiva. Hay tres razones fundamentales que son:
1. La infraestructura utilizada ya se encuentra instalada. Tiene sentido el utilizar redes
2. Todo sobre una computadora y todo sobre redes, abren la posibilidad para que las aplicaciones puedan mezclar cadatipo de trafico.
3. Este acercamiento parece mas econdmico y facil de manejar que datagramas separadosy redes de tiempo-real.
Las aplicaciones de tiempo-real, usualmente necesitan mucho ancho de banda. El ancho de banda delineas telefonicas es muy limitado y generalmente mas costoso que las
redes de datos, en cambio, el ancho de banda de las redes locales de datos (RLD) es
econdmico y abundante, y la tecnologia de RLD se extiende a redes mas grandes. Aun las redes de cobertura amplia (RCA) son relativamente econdmicas, debido a que estas son compartidas, en contraste con las lineas 0 conexiones dedicadas.
A simple vista, las redes de datagramas no parecenser las indicadas para transportar
trafico en tiempo-real, ya que los paquetes son enrutados independientemente a través de redes compartidas, en donde los tiempos de transito varian significativamente. Las variaciones en los retardos de transito se les llama jitter (este sera explicado en las siguientes secciones). Una clase de aplicaciones de tiempo-real llamado previas (grabacion de los datos antes de ser reproducidos), ayuda a resolver el problemadejitter. Este tipo de aplicaciones, tratan con la variacién del tiempo de transito utilizando un almacenamiento temporal (buffering) en el receptor. Aplicaciones bien conocidas de este tipo de
pueden manejar el jitter causado por pequefias rafagas, y pueden tolerar ocasionalmente
pérdidas de paquetes durante pequefios periodos de congestion.
Ill.3 Aplicaciones previas (Playback) y parametros de calidad deservicio
El grupo de trabajo de servicios integrados cree que las aplicaciones previas
(playback) seran las mas utilizadas en el presente y futuro. Las aplicaciones previas mas
comunes son las herramientas de audio y video (mencionadas anteriormente). En una
aplicacién previa, un nodo fuente genera una sefial, empaqueta los datos y los transmite
sobre una red. El nodo receptor desempaqueta los datos y los vuelve a oir 0 ver de nuevo.
Como se habia mencionado anteriormente dentro de una red de datagramas,el tiempo
de transito varia. Si el receptor trata de oir o ver el contenido de los paquetes
inmediatamente cuando estos estan arribando,la sefial sera distorsionada. Por esa razon, el
receptor almacena temporalmente todos los paquetes que estan arribando de la red. Los
paquetes que no llegan a tiempo, producen un pequefio vacio en la sefial repetida. Un
paquete que llega después de cierto tiempoes inutil y tiene que ser descartado. Si se conoce
el retardo maximo exhibido por un paquete conanticipacion, la aplicacion puede poner su
tiempo de repeticién 0 reproduccion, exactamente igual al tiempo del retardo maximo,para
que asi los paquetes nosean retrasados 0 perdidos. Para una comunicaci6n interactiva como
una audio conferencia, el retardo total no debe de exceder 0.25 segundos, cualquier retardo
mas grande puedeserirritante para los participantes.
En las tecnologias "tradicionales" de servicios en tiempo-real (lineas telefdnicas,
que toma unasefial para atravesar el medio y conmutadores intermedios. Esto depende de las propiedadesestaticas del medio. Esta propiedad deseable es llevada al cabo por no tener que compartir el medio. Cada recurso (cable, frecuencia, ranura de tiempo) es explicitamente asignada a un emisor o un par emisor/receptor. Por contraste, compartir es un principio basico de todas las redes conmutadas de paquetes. La consecuencia de tener que compartir es hacer cola (queueing), el cual es un mecanismoutilizado para maneyjarlas rafagas de paquetes. Cuando los paquetes, por un periodo corto de tiempo, Ilegan mas rapidamente que el tiempo que tardan en reenviarse, estos paquetes son puestosenla cola. A medida que la cola crece y se acorta, los paquetes comienzan a experimentar diferentes retardos y por consiguiente diferentes tiempos de transito entre el emisor y el transmisor. Esto es llamado variaciénde retardoo jitter. Si la demandade los recursos dered, tales como, tiempo de procesamiento del enrutador y ancho de banda, exceden la capacidad disponible en un periodo de tiempo, se dice que la red esta congestionada. El congestionamiento,noslleva a tener unaalta variacion de retardo y perdidas de paquetes,la cual puede ser vista como una variacion de retardo infinita.
E| jitter y el ancho de banda son dos parametros de calidad de servicio (QoS) que necesitan ser controlados para soportar QoS enaplicaciones previas. Suficiente ancho de banda debe estar disponible en la trayectoria de los paquetes, para una velocidad de transmisidn promedio, mas algo extra para que las rafagas de paquetes puedan ser manejadas rapidamente. Si el ancho de banda noessuficiente, los paquetes son retirados tan rapido comola capacidad dela cola se haya agotado.
fija y otra parte variable. La parte fiya es el tiempo detransito a través del medio a la
velocidad de la luz mas el tiempo de procesamiento dentro de los conmutadores o nodos
intermedios. El retardo variable es el tiempo que un paquete pasa en las colas de servicios
en los nodos intermedios. Nada puede hacerse con respecto al tiempo detransito fijo. Las
técnicas de calendarizacion de paquetes solamente pueden influenciar la parte del retardo
variable.
111.4 Multicast
Multicast es un modelo orientado a no-conexion, ya que las proposiciones orientadas
a conexion para conferencia con multimedios tienen severas desventajas [Baker Fredet al.,
1998]. Las aplicaciones de multimedia orientadas a conexién no se escalan con el nimero
de participantes dentro de una sesion. Para n participantes, se necesitan tener O(n’)
conexiones. El enlazarse y salirse de una conferencia en progreso es dificil, ya que cada
participante necesita conocera todoslos participantes. Cuando los enlaces se deshabilitan y
se vuelven a habilitar, las aplicaciones tienen que manejar una cantidad grande de manejo
de conexion. Multicast resuelve este problema.
Unasesion de multicast es identificada por una direccion de grupo. Cualquier nodo
puede enviar a un grupo multicast simplemente especificando la direccién de grupo
multicast como la direccién destino. El emisor no necesita saber nada acerca de los
receptores, ni su numeroo su localizacion o su direccién IP. Unparticipante se subscribe a
una sesion, subscribiéndose al respectivo grupo de multicast. Todo el trafico destinado para
salirse de una conferencia se reduce al enlazarse o salirse de un grupo multicast, el cual es manejado porlas capas inferiores. Ya que no hay conexiones, la conectividad intermitente no conduce a alguna sobrecarga porparte de la aplicacion. Esto es, los paquetes Multicast son enrutados a lo largo de arboles construidos por procedimientos de enrutamiento multicast, que incluyen a todos los receptores como hojas. Los enrutadores en el arbol conocen a donde remitir los paquetes destinados para el grupo. A diferencia de las fuentes unicast que envian una copia porcada receptor, las fuentes multicast envian solo una copia de un paquete.
Existe solo una copia de cada paquete multicast sobre cada rama del arbol de distribucién multicast. En las partes donde las ramas se separan, se crea una copia nueva. Asi, multicast minimiza el ancho de banda consumidoporlas aplicaciones de multimedia [Postel, Jon., 1995].
La utilizacion de multicast requiere que los protocolos de enrutamiento multicast sean manejadosportodoslos enrutadores.
I11.5 Protocolo RTP (Real-Time Protocol)
tiempo-real es combinada dentro de RTP, el protocolo de transporte de tiemporeal. Este
protocolo es estandarizado dentro del RFC 1889. Las aplicaciones tipicamente corren RTP
sobre UDP comoparte del protocolo en la capa de transporte, como se muestra dentro de la
figura 3.
RTP Capa de sesion |
ASP ICMP TCP UDP RSVP Capa de transporte
IP Capade red
—
ARP |
etn Capa de enlace
Interfaz
Capa Fisica
Figura 3: Ubicaci6n del protocolo RTP en el modelo de referencia OSI.
El formato del encabezado de RTP se muestra en la figura 4. Los campos que forman
el encabezado incluyen un nimero deversion, relleno, bits de marca y extension para usos
experimentales y especiales, y el numero de fuentes colaboradores, este ultimo es mayor
que uno si la carga del paquete RTP contiene datos de varias fuentes. La fuente de
sincronizacionindica donde fueron combinadoslos datos, o indica la fuente de los datos, si
Relleno Extension) Contador| ,, Tipo de |Numero dé
onoft ‘onlof |. cSRC |Marcador| cara, ge
2 bits 1 bit 1bit 4 bits 1 bit 7 bits 16 bits Versién
. . Los primeros 12 octetos estan Etiqueta de tiempo presentes en cada paquete RTP
32bits
' Iiddelafuentedesincronizacion (SSRC)
32 bits
Figura 4: Encabezado RTP.
Ill.6 Tipos de servicios en Servicios Integrados
I11.6.1 Clasificacion de trafico y de aplicaciones
Los dostipos de traficos fundamentales dentro de redes de datagrama esel trafico de
tiempo-real y el trafico de datos (tiempo-no-real) [Wroclawski, J. 1997]. El cual se
distingue de la siguiente manera.
El trafico de datos se origina de aplicaciones comotelnet, ftp, email, WWW etc.
Estas son aplicaciones elasticas: siempre esperan a que todoslos datos hallan llegado. Los
retardos grandes degradan el desempefio de este tipo de trafico, pero el resultadofinal de la
transferencia de los datos no es afectado por estas condiciones de red desfavorables. Las
aplicaciones elasticas pueden ser divididas de acuerdo a sus requerimientos deretardos. El
trafico de rafaga interactivo (telnet, X, NFS) necesita un retardo corto, el trafico de
volumen interactivo (interactive bulk) (FTP, WWW) requieren un retardo medio y el
El trafico de datos es esporaddico e impredecible. Las conexiones usualmente so
cortas y sirven para transferir una o varias porciones de datos. Las aplicaciones envian sus
datos tan rapido como su conexi6n se los permita, luego se detiene. Es por eso que el
trafico es en rafagas.
Arribo de tokens a CP) una velocidad constante
Paquetes entrantes | [| [ [ | J [ [|] Paquetes desalida
Figura 5: Modelo Token Bucket.
El trafico de tiempo-real se origina de aplicaciones en tiempo-real. Estas aplicaciones
son actualonsit aplicaciones cuasi-tiempo-real, porque toleran retardos pequefios en sus
paquetes. Pero en contraste con las aplicaciones elasticas, estas son sensitivas a retardos
altos y a variaciones de los retardos. El proceso de generacidn de paquetes en estas
aplicaciones con frecuencia es regular y muy duradero. Los flujos de audio son
especialmente predecibles y usualmente tienen una velocidad de transmisio6n constante y
paquetes de tamafio fijo. Para video, el algoritmo de codificacion al igual que la naturaleza
de la imagen, determina la forma del flujo. Un filtro de "token bucket" puede serutilizado
para caracterizar el flujo en tiempo-real. Este filtro esta determinado por dos parametros,
cubeta (bucket) continuamente se esta Ilenando de paquetes a una velocidad de arribo p.
Dentro de la cubeta puede haber b paquetes. Cada vez que la fuente envia un paquete de
tamafio r, en la misma proporcion son desalojados r paquetes de la cubeta. Un nodo fuente
que se ajusta a un filtro de token bucket(r,b) solamente puede enviar sus paquetes cuando
la cubeta contiene los suficientes tokens. Entonces, r es la velocidad promedio del flujo y p
es la velocidad de rafaga. Por ejemplo, el flujo de audio PCM puede ser especificado
teniendo r = 64Kbit/s y b = es el tamafio de un paquete. En [Larry, L. et al., 1999] se
clasifican las aplicaciones de tiempo-real en aplicaciones rigidas y adaptativas. Las
aplicaciones rigidas tienen un punto de reproduccién fijo (playback), mientras que las
aplicaciones adaptativas, adaptan su punto de reproduccion de acuerdo a las condiciones
actuales de red. Las aplicaciones adaptativas necesitan ser tolerantes a pérdidas ocasionales
de paquetes. Ejemplos de estas aplicaciones adaptativas incluyen las herramientas de video
y audio. Las aplicaciones rigidas son usualmente intolerantes.
[11.6.2 Compromiso de Servicio
Tradicionalmente, el servicio de IP provee la misma calidad de servicio a cada
paquete. Los IntServ extienden este modelo de servicio para que las aplicaciones puedan
escoger un servicio apropiado (RFC 1633). Los servicios que estan especificados a la fecha
es el de mejor-esfuerzo, servicio garantizado especificado en [Shenker, S. et al., 1997] y
servicio de carga controlada especificado en [Wroclawski, J., 1997]. Otros servicios, por
ejemplo el retardo controlado, también a sido propuesto pero no ha ganado tanta
Los IntServ también incluyen el enlace compartido bajo control (controlled link
sharing). Con frecuencia, organizaciones multiples comparten el enlace, las cuales pagan
una porcion fija del costo, de este modo, querran recibir una porci6n garantizada del ancho
de banda del enlace durante una congestion en la red. Por otra parte, el ancho de banda no
deberia estar sin usar mientras alguna organizacidn tenga datos que enviar. El enlace
compartido bajo control es también deseable para asignar una cantidad de ancho de banda a
diferentes familias de protocolos. Esto elude situaciones durante un congestionamiento, en
las cuales un protocolo no obtiene el suficiente ancho de banda debido al comportamiento
del algoritmo back-off. Unatercera utilizacion seria aislar diferentes servicios, por ejemplo
para asegurar que el control de trafico de la red obtenga una porcion garantizada del ancho
de banda.
11.6.3 Servicio del mejor-esfuerzo
El trafico de aplicaciones elasticas obtiene el servicio del "mejor-esfuerzo". La red
no promete nada pero intenta entregar los paquetes lo mas rapido posible. Todoslos flujos
de tiempo-real que no tienen reservacion también son entregadosconel servicio del
mejor-esfuerzo.
[11.6.4 Calidad de servicio garantizado
El servicio garantizado es utilizado por las aplicaciones rigidas intolerantes. Promete
especificacion delfiltro de token bucket. Los servicios garantizados no intentan minimizar la variacion deretardo (jitter), simplemente controla el retardo maximo exhibidoenla cola.
Se ha probado quelos retardos exhibidos en la cola de un flujo que conformaelfiltro de token bucket (r,b) y que es servido por un enlace con un ancho de bandaR,es por lo menos tan grande como b/R. Entonces, si el servicio garantizado provee de una parte garantizada del ancho de banda,el retardo en la cola es limitado porel tiempo que tarda en la cola de un enlace el ultimo paquete de una rafaga con tamafio b. Este resultado se aplica al modelo de fluidos, el cual es el servicio que sera proporcionado si hay un cable con un ancho de bandaR entre la fuente y el receptor. El limite sobre el retardo de cola necesita ser ajustado por términos de error, que especifica como el fluido se desvia del modelo de fluidos.
La aplicacioén de este modo especifica sus propias caracteristicas de trafico, recibe la informacion exportada en términos de error y retardo de la red, y luego decide donde el limite de retardo resultante es suficiente. Si la aplicacién decide aceptar el servicio, coloca el tiempo de reproduccionigual al maximoretardo.
[11.6.5 Servicio de carga controlada
El cliente provee a la red con las especificaciones del trafico que se generara para el
filtro de token bucket. La red asegura que los recursos suficientes seran disponibles para
ese flujo, a medida que el flujo se ajusta a la especificacion. El servicio para los paquetes
que se ajustan a las especificaciones, es caracterizado por bajos retardos y pequefias
pérdidas de paquetes. Ocasionalmente la pérdida de paquetes puede ocurrir debido a efectos
estadisticos, pero la tasa de pérdida total no debe excederla tasa de error de paquete basico
IV Algoritmos para el manejo de Calidad de servicio
IV.1 Introduccion
Para mejorar la calidad de servicio sobre redes de computadoras, se han desarrollado
una variedad de algoritmos para manejo especial de diferentes tipos de trafico. En este
capitulo se repasan dos de estos algoritmos: CBQ y RSVP. Estos algoritmos, fueron
seleccionados sobre otros debido a su naturaleza general y porque existen varias
implementaciones disponibles para diferentes sistemas operativos (notablemente en
FreeBSD,Linuxy Solaris).
IV.2 Protocolo para reservacion de recursos (RSVP)
El protocolo para la reservacién de recursos RSVP (porsus siglas en inglés Resource
reSerVation Protocol), es un mecanismo de sefializacion para la reservacién de ancho de
banda enlos enlaces finales. Por medio de éste, es posible garantizar la cantidad del ancho
de banda asignado, a través de un camino dentro de la red y por lo tanto, garantizar la
calidad de servicio para un flujo en particular que pase por este camino.
Aun cuandoesta idea parezca de alguna manera obvia,el disefio actual del protocolo
que toma en cuenta la complejidad de la Internet, no es tan trivial. Aspectos como las
cantidades disponibles de ancho de bandaa través de todoslos saltos (hops), permisos para
reservar ancho de banda, enrutamiento dinamico y multicasting, deben ser tomados en
de la Universidad de California (ISI) y por la Corporacién Xerox, centro de investigacion
de Palo Alto (PARC). Este desarrollo fue llevado al cabo por el grupo de trabajo de
Servicios Integrados del IETF (porsussiglas en inglés Internet Engineering Task Force).
En esta seccién, se discutiran las capacidades del protogcolo RSVP, asi como el
funcionamiento de algunos aspectos claves del protocolo. La descripcién de RSVP esta
basada en la Version | del Draft liberado por IETF.
IV.2.1 RSVP dentro de una red
Considerando el modelo de referencia OSI, RSVP trabaja en la capa de transporte
(como se muestra en la figura 3, del capitulo III), y es capaz de trabajar sobre los protocolos
IPv4 e IPv6. Este protocolo es de una manera similar al protocolo ICMP: envia mensajes de
control a otros nodosy no ha procesosespecificos.
Un error muy comin es confundir a RSVP con un protocolo de enrutamiento. RSVP
no se encarga en hacer decisiones del camino mas dptimo para enviar los paquetes. Por lo
contrario, RSVP toma el conocimiento de los protocolos de enrutamiento ya existentes.
Cuando RSVPtiene una solicitud de recursos para un camino en particular, los protocolos
de enrutamiento manejan los detalles para proveer el camino solicitado. Otro error comun
es ver a RSVP como unrival de CBQ (Class Based Queue). RSVP no es unrival de CBQ,
este es ortogonal a CBQ.Surelacién es masdesolicitante/actor, esto es RSVP solicita el
ancho de banda y CBQrealiza las tareas necesarias para garantizar la asignacion del ancho
Entonces, {Qué lugar toma RSVP dentro del sistema? Su lugar es el de un manejador
de mas alto nivel. Las aplicaciones solicitan ancho de banda por medio de procesos RSVP
y estos procesos son responsables en determinarsi:
e El ancho de banda puedeser asignado desde el nodo fuente hasta el nodo destino,
(Politica de Control).
e Determinar si la aplicacién tiene los derechos necesarios para hacer una
distribucion del ancho de banda (Control de Admision).
Una vez que los recursos de ancho de bandahansido aprobadosy repartidos, RSVP
cede el manejo al calendarizador de paquetes y la aplicacién solo tiene que enviar y recibir
los datos como normalmente lo hace. Para entender este proceso, examinemosla figura 6:
cont
Nodo
Enrutador
Aplicacién RSVP
Demonio | Demonio
RSVP RSVP
Usuario
KERNEL
Pipa UNIX Mensa
Clasificadory |: Clasificador y
>| Calendarizador >| Calendarizador [——”
Datos de paquetes Datos de paquetes
Figura 6: Disefio de RSVP
En la figura 6, se muestran los componentes del sistema, desde el nodo hasta el
enrutador comoes descrito en el parrafo anterior. Posteriormente nos familiarizaremos con
algoritmo utilizado para el control de trafico CBQ. Hay que hacer notar que el flujo de
datos esta representado en una forma uni-direccional, como se muestra en la figura 7. Esto
es porque RSVP requiere que cada direccién de un flujo divida su propio ancho de banda.
Esta regla fue establecida con anticipacién por situaciones multicast, donde el emisor del
flujo tiene el privilegio de establecer las caracteristicas del flujo y no el receptor.
Enrutador Enrutador
NodoIntermedio NodoIntermedio
<@e= Mensaje Resv
|
Emisor Receptor
Figura 7: Flujo de los datos
IV.2.2 ¢Cdémo trabaja RSVP?
Cada solicitud de ancho de banda es compuesta de dos partes fundamentales: El
flowspecy el filterspec. En conjunto, estos dos componentes forman el descriptor de flujo.
El flowspec simplemente especifica la calidad de servicio deseada. El filterspec, en
conjunto con la especificacidn de la sesion, define el conjunto de paquetes de datos que van
a ser enviados - el flujo - para recibir la QoS definida por el flowspec. El flowspec es
utilizado para fijar parametros dentro del calendarizador de paquetes de los nodos,o en otro
mecanismo utilizado en la capa de enlace, mientras queel fi/terspec es utilizado para fijar
Esta solicitud una vez generada, es cotejada con el control de admisién para
determinar si hay el suficiente ancho de banda disponible, y contra la politica de control
para revisarsi el solicitante tiene los privilegios necesarios para asignar el ancho de banda.
Unavez queesta revision hasido exitosa, la asignacion de recursoses llevada al cabo y la
solicitud es enviada al siguiente salto (hop) en la cadena de enrutadores, conectandoasi a
los nodos finales (emisor y receptor). Cuando la solicitud llega a su destino con éxito, se
envia un mensaje de regreso al proceso originario, indicandole que la asignacién ha sido
exitosa, de lo contrario, todas las asignaciones realizadas hasta el punto de la falla son
descartadas y un mensaje de fracaso es enviadoal solicitante. A lo largo del camino porel
que pasa un paquete, se registra la reservacion para que a todos los paquetes enviados, se
les garanticen los recursos al pasar a través de los enrutadores que conoce y respetan lo
garantizado o reservado. Cuandolos nodoshan finalizado con la conexi6én de reservaci6én,
un mensaje tear-down [Braden, R. et al 1997] permite que todos los enrutadores
intermedios, liberen sus respectivas asignaciones de ancho de banda.
RSVP maneja unaserie de mensajes, en donde los mas importantes son los menajes
RESV y PATH. Estos mensajes y otros mas, se muestran dentro del RFC 2205 [Braden, R.
et al 1997].
1V.2.3 Atributos claves de RSVP
RSVP fue disefiado con un conjunto de atributos claves, los cuales se mencionan a