Qualidade de Serviço em
Redes IP
Mecanismos de QoS
Edgard Jamhour
QoS sobre Redes IP
 O protocolo IP, conforme definido
originalmente:
 Não suporta QoS (Qualidade de
Serviço).
 Adota o modelo de serviço BEST
EFFORT:
 o primeiro pacote a chegar será o primeiro a ser
atendido.
QoS sobre Redes IP
 Atualmente o protocolo IP está sendo
modificado e novos padrões estão
sendo definidos para suportar duas
estratégias de QoS:
 Serviços integrados
 Serviços diferenciados
Objetivos do QoS
 Controle sobre recursos
 Privilegiar aplicações mais importantes
(rentáveis) na rede.
 Garantir o funcionamento de aplicações
sensíveis a atraso
 Evitar que o tráfego Web introduza atraso para
aplicações de VoIP.
Objetivos de QoS
 SLA (Service Level Agreements)
 Diferenciar usuários e serviços de acordo com
contratos pré-estabelecidos.
 Redes Convergentes.
 Permitir que uma única tecnologia de rede
possa ser utilizada para prover todos os tipos
de serviços.
Qualidade de Serviço - QoS
 QoS é uma garantia oferecida pela rede
que certos parâmetros serão mantidos
entre níveis pré-acordados.
 Os principais parâmetros de QoS são:




Atraso
Jitter: Variação no Atraso
Taxa de transmissão
Taxa de Perda de Pacotes
Qualidade de Serviço - QoS
QoS na Camada de Aplicação
QoS na Camada de Transporte
QoS na Camada de Rede
QoS em Enlace
Internet
QoS refere-se a capacidade
de criar um caminho com
banda e tempo de atraso
garantidos entre dois pontos
da rede.
QoS: Rede ou Enlace?
 Na camada de Enlace:
 Redes Síncronas:
 SDH (combinação de canais de banda constante)
 Redes Assíncronas:
 ATM: Permite Reservar Recursos
 Frame-Relay: Apenas Limita a Banda
QoS: Rede ou Enlace?
Na camada de rede:
IP: Permite implementar a qualidade de
serviço fim a fim independente da
tecnologia de enlace.
Implementado com ou sem sinalização.
Atraso
 O atraso é uma das principais
medidas de QoS.
 Em aplicações tempo-real o atraso
provoca perda de QoS.
 Exemplo: eco e sobreposição de
conversação em VOIP.
Fatores que Influenciam o
Atraso
Capacidade do
Terminal
Velocidade
do Link
Congestionamento na
rede local
Bufferização nos
Roteadores
Congestionamento
nos links
Tempo de
propagação
Curva de QoS em Função do
Atraso
ATRASO VARIÁVEL
ACEITÁVEL
densidade de
probabilidade
ATRASO INACEITÁVEL
(Dados Perdidos)
1- 
Atraso
Fixo

Variação de Atraso
(Jitter)
Máximo Atraso
Aceitável
ATRASO
Tempo de Propagação
 Atrasos de Propagação - Fibras Ópticas –
Exemplos
Trecho (Round Trip Delay)
Atraso de
Propagação
Miami a São Paulo
100 mseg
New York a Los Angeles
50 mseg
Los Angeles a Hong Kong
170 mseg
Fontes de Atraso
 Atraso introduzido por equipamentos:
 Roteadores, Switches, Firewalls, etc.
 Atraso introduzido pelos hosts
 Velocidade da CPU e Acesso a Memória
 Eficiência do Sistema Operacional e da Pilha
de Protocolos
 Paginação de Memória
Perda de Pacotes
 Pacotes são perdidos devido aos seguintes
fatores:
 Erros no pacote:
 Cabeçalho do pacote:
 Descartados pelos roteadores
 Campo de dados:
 Descartados pelo computador
IP
Checksum
apenas do
cabeçalho
TCP
DADOS
Checksum inclui os dados
Perda de Pacotes
 Falta de Banda
 Estouro de buffer dos roteadores .
 Descarte preventivo (controle de atraso)
 Pacotes menos prioritários são descartados.
Os buffers
são
associados
a cada
interface
Tipos de Controle de QoS
 Aplicações tempo-real
 Aplicações sensíveis ao atraso
 Tolerantes a perda de pacotes
 Intolerantes a perda de pacotes
 OBJETIVO: DISPONIBILIDADE CONSTANTE DE
BANDA
 Aplicações elásticas
 Aplicações que não são afetadas pelo atraso.
 Exemplo: Email, FTP, Compartilhamento P2P
 OBJETIVO: BANDA MÉDIA EM PERÍODOS MÉDIOS
OU LONGOS
Requisitos de QoS
Requisitos de QoS
Voz
Interativa
FTP
E-mail
Vídeo
Broadcast
Vídeo
Interativo
Exigência de largura
de banda
Média
Baixa
Baixa
Alta
Alta
Sensibilidade a
perda (aleatória) de
pacotes
Média
Média
Média
Média
Média
Sensibilidade ao
atraso
Alta
Baixa
Baixa
Baixa
Alta
Sensibilidade ao
jitter
Alta
Baixa
Baixa
Média
Alta
Arquiteturas para QoS
 As arquiteturas de QoS envolvem 3 elementos:
1. Técnicas para implementar QoS em um nó da rede.
2. Técnicas de sinalização de QoS, para informar aos
vários nós da rede como proceder na passagem de um
fluxo.
3. Funções para gerenciamento, política e contabilização
do QoS de uma rede como um todo.
Arquiteturas para QoS
nó
2. sinalização
nó
1. Mecanismo de QoS
Priorização
Descarte
Etc.
sinalização
sinalização
nó
3. Ferramenta de
Gerenciamento
sinalização
nó
nó
Políticas de QoS
(SLA, Controle de
Admissão)
Mecanismos de QoS no Nó
 Classificação
 Enfileiramento
 Priorização (com ou ser garantia de
banda)
 Adequação do Perfil de Tráfego
 Antecipação de Congestionamento
 Policiamento
Classificação


A classificação dos pacotes é feita de acordo com regras para
descriminação de fluxo.
As regras comumente utilizadas são:

Interface do dispositivo





IP origem
IP destino
Tipo de Protocolo
TOS
Flow Label (IPv6)


Porta origem
Porta destino
Enlace
Rede
Transporte
Campo TOS: Tipo de Serviço
TOS
IP Header
PayLoad
Bit
Prioridade
Bit
000
Muito Baixa
1
Minimizar retardo
001
Baixa
2
Maximizar vazão
Maximizar confiabilidade
3
Maximizar confiabilidade
Muito Alta
4
Minimizar custo
..
111
Requisição
Enfileiramento FIFO
 Trata as variações de tráfego através de uma fila,
mas não utiliza nenhum tipo de prioridade.
 Modelo Best-Effort
LINK B
(rede WAN: 1 Mbps)
LINK A
(rede local: 100
Mbps)
LINK A > LINK B
FILA INTERNA NO ROTEADOR
Enfileiramento com Prioridade
Enfileiramento com Banda
Garantida
 Escalonamento round-robin.
 A quantidade de pacotes transmitidos de cada fila é
ponderada.
Fila de baixa
prioridade
(1 pacotes de
cada vez)
1/10
2/10
3/10
4/10
Fila de alta
prioridade
(4 pacotes de
cada vez)
CQ: Guaranteeing Bandwidth
Weighted fair queuing
(WFQ)
 Efetua classificação do tráfego por fluxo:
 Endereço IP de origem e destino
 Portas de origem e destino
 Tipo de protocolo
 Os fluxos são armazenados num número
configurável de filas.
 Fluxos de baixo volume, que são a grande maioria do
tráfego, recebem um serviço preferencial.
 Fluxos de alto volume, dividem o restante da banda de
maneira proporcional entre eles.
Weighted fair queuing (WFQ)
Weighted fair queuing (WFQ)
 Dando prioridade para os fluxos mais curtos, o WFQ reduz
significativamente o atraso médio de entrega dos pacotes.
Adequação do Perfil de Tráfego
Modelo Token Bucket
 Permite adequar o tráfego em torno de uma taxa
média, com rajadas de intensidade controlada.
saída
(bytes/s)
d <= b/p
r bytes/s
p
r
R
b bytes
t
chegada
reserva
saída
R
p bytes/s
B
Serviço
Garantido se
r <= R
Parâmetros




r - taxa média em bytes/s
b - tamanho do bucket (em bytes)
p - taxa de pico
m - tamanho mínimo do pacote
 (pacotes menores que esse valor são contados como m bytes)
 M - MTU (tamanho máximo do pacote)
 Regra: seja T o tráfego total pelo fluxo num
período T:
 T < rT + b
Traffic Shaping com Token Bucket
Técnicas para Evitar
Congestionamento
 Limitam o tamanho da filas através de um descarte
preventivo.
 RED: Randon Early Detection
 Descarte randômico assim que o tamanho da fila
atinge um limiar pré-definido.
 WRED: RED ponderado
 Leva em conta as informações de prioridade do
campo TOS dos pacotes IP.
RED
Policiamento
 Um limite de tráfego é imposto aos fluxos
definidos pelo classificador.
 O descarte de pacotes é feito com base na
medição do tráfego antes do
armazenamento dos pacotes nas filas do
roteador.
 Pode utilizar o modelo token bucket.
Conclusão
 Muitos dispositivos de rede possuem
mecanismos para QoS.
 A disponibilidade de mecanismos variam
de dispositivo para dispositivo.
 Vários algoritmos estão disponíveis para
priorização, policiamento, descarte e
adequação do perfil de tráfego.