Qualidade de Serviço (QoS): Estudo de Caso de Otimização de Recursos na Rede
Este tutorial apresenta o estudo de uma solução baseada em problemas encontrados na rede de dados da
empresa Eletrozema Ltda, que necessita de uma comunicação ágil, disponível, segura, e de qualidade, para
auxiliar o funcionamento dos sistemas de informação existentes dentro da rede. A qualidade de serviço
(QoS) oferece recursos para identificar e separar o fluxo de dados da rede, através de classes, políticas, e
técnicas que tratam do tráfego da rede de acordo com as regras implantadas nas mesmas, proporcionando
assim, um melhor suporte ao negócio da empresa.
Foram abordados conceitos de redes locais, redes de longa distância, as sete camadas de interconexão de
Sistemas Abertos (modelo OSI) e suas respectivas características e funcionalidades, conceitos, e serviços de
qualidade de serviço. Como foco principal, foi levantado os problemas relacionados a interrupções do
serviço de voz sobre IP (VoIP) que atrapalhavam a comunicação entre filiais e matriz, o congestionamento
na rede causado por consumo de banda muito grande causados por alguns aplicativos, interferindo
diretamente nas aplicações e serviços de missão critica tornando-as lentas e com falhas. Também foram
descritos problemas e soluções relacionadas aos roteadores que travavam constantemente devido o baixo
tamanho de memória, e software desatualizados.
Os resultados obtidos por este trabalho demonstram que o uso destas técnicas de qualidade de serviço
torna-se indispensável conforme vão crescendo as aplicações, serviços, e usuários dentro de uma rede.
Portanto com a implementação de qualidade de serviço pode-se esperar num futuro próximo, uma grande
busca por convergência de serviços dentro das redes.
O tutorial foi preparado a partir da monografia “Qualidade de Serviço (QoS) e Otimização de Recursos
na Rede”, elaborada pelo autor, e apresentada à banca examinadora do Curso de Sistemas de Informação
do Centro Universitário do Planalto de Araxá, como registro parcial para obtenção do título de Bacharel em
Sistemas de Informação. Foi orientador da monográfica o Prof. Msc. Pedro Junior Ashidani.
Rodiney Alen Ribeiro
Bacharel em Ciência da Computação pelo Centro Universitário do Planalto de Araxá – UNIARAXÁ (2009),
e Técnico em Processamento de Dados/Informática pela ATENA (2002).
Atualmente trabalha como Analista de Telecomunicações na Eletrozema, participando e elaborando de
projetos de rede, configuração e manutenção de roteadores Cisco, análise e resolução de problemas em
Rede LAN, análise e resolução de problemas em Rede WAN, pesquisa e aplicação de QoS em redes, Voz
sobre IP em redes coorporativas, frame relay, MPLS, PPP, X.25, Ethernet, configuração de roteadores
Cyclades para sistemas de cartão de credito (SITEF), segurança em redes, manutenção de computadores, e
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manutenção de software, entre outras atividades.
Email: [email protected]
Categorias: Banda Larga, Redes de Dados Wireless, VoIP
Nível: Introdutório
Enfoque: Técnico
Duração: 20 minutos
Publicado em: 28/11/2011
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Qualidade de Serviços (QoS): Introdução
Com o crescimento da Internet houve um grande desenvolvimento e investimento na infra-estrutura das
operadoras telefônicas e Empresas. Sendo que nos dias atuais a maioria das aplicações e programas
desenvolvidos, utilizam recursos que são executados parcialmente ou totalmente na Internet, como:
atualizações de sistemas operacionais, atualizações de antivírus, correio eletrônico, videoconferência, VoIP
(Voz sobre IP), transações de dados, etc.
Atualmente tem aumentado a busca por convergência de dados, voz, e vídeo, em um único link dedicado de
dados, pois um dos principais objetivos das organizações é reduzir custos, aumentar a produtividade,
segurança, disponibilidade e agilidade nos serviços. Com este intuito, foi implantado pela Empresa
Eletrozema Ltda, a tecnologia VoIP. O sistema de telefonia VoIP na empresa é composto por um PABX , um
roteador central Cisco, todos instalados na matriz, e roteadores Cisco em 200 filiais.
PABX ou central telefônica de ramais privados é o dispositivo responsável por interligar os ramais da matriz
e filiais, ou vice-versa, através de um cabo conectado a placa E1 do roteador Central.
O roteador Central na matriz tem a funcionalidade de registrar e encaminhar as ligações VoIP aos seus
devidos destinos. Os roteadores filiais são responsáveis por receberem e efetuarem ligações nas mesmas.
Inicialmente o foco principal da empresa era de apenas facilitar a comunicação entre Filiais e Matriz, sem se
preocupar com a qualidade dos pacotes de dados e voz trafegados. Porém, com o grande fluxo de dados na
rede, o grande volume de aplicações utilizando o recurso da Internet, e o aumento gradativo de novas filiais,
houve a necessidade de pesquisar e implementar técnicas de QoS (Qualidade de Serviço), para garantir
melhor desempenho e qualidade em dados e voz sobre IP.
Veja o que diz Gimenes:
(...) as redes IP sempre forneceram um serviço do tipo “melhor esforço” (i.e. best effort). Neste tipo
de serviço não existe qualquer garantia ou reserva de recursos para qualquer tipo de tráfego da rede.
Existe apenas uma classe de serviços e os pacotes são enfileirados conforme vão chegando para a
transmissão. Os diferentes fluxos de dados, provenientes dos diferentes pontos da rede, compartilham
entre si a largura de banda disponível para transmissão. Se houver congestionamentos, pacotes são
descartados sem distinção. Para atender os requisitos de aplicações variadas como vídeo streams, Voz
sobre IP, e-commerce, ERP (i.e. Enterprise Resource Planning) e outros (GIMENES, 2003, p. 10).
As redes em geral provêm de congestionamentos, atrasos, concorrência de tráfego, delay (atraso), e perda
de pacotes. A motivação da aplicação de Qualidade de Serviço (QoS) é minimizar os efeitos de
congestionamento nos links de acesso, tratando e otimizando as aplicações trafegadas na rede, ou seja,
melhorar o desempenho dos aplicativos e serviços dentro da rede.
Apesar de possuir várias pesquisas, artigos, teses, e livros sobre qualidade de serviço, muitas organizações
desconhecem seus benéficos, e as que optam por convergir suas aplicações, não estão totalmente preparadas
para adequar a rede conforme a arquitetura e interesse de tráfego. Portanto baseado nesse cenário foram
abordadas às seguintes informações:
A empresa utiliza-se de serviço de voz sobre IP, e aplicações de missão critica. Portanto serão
estabelecidas prioridades, classificação, limites de consumo de banda, aos serviços que trafegam na
rede;
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Alguns dos roteadores nas filiais deveram ser atualizados, devido seus sistemas operacionais (IOS)
estarem desatualizados e não suportarem QoS;
A aplicação VoIP afeta diretamente o desempenho da rede sobre dados, portanto será especificado um
valor em kbits de consumo de banda, a cada canal de voz utilizado pela filial;
Alguns roteadores nas filiais travam constantemente, e precisam ser reinicializados. Portanto será
analisada junto a Cisco Systems a capacidade de memória Flash (armazena o sistema operacional
IOS) e DRAM (memória de trabalho) recomendada para que os equipamentos suportem as aplicações
e novos protocolos de comutação. E em seguida, será feita a atualização (upgrade) da memória destes
roteadores;
A Empresa utiliza-se da tecnologia Frame relay (tecnologia de transmissão de dados entre redes
geograficamente separadas) nas filiais e matriz, interligando-as entre si, porém é um recurso que
requer um alto processamento dos roteadores, e de alto custo para a Empresa. Portanto será
implantado juntamente com as operadoras telefônicas, nas filiais e matriz, o protocolo MPLS
(Multiprotocol Label Switching), tecnologia de comunicação de dados que fornece vários recursos em
IP, sendo um dos mais importantes a qualidade de serviço (QoS).
Contudo, o objetivo deste trabalho é avaliar e mostrar técnicas e recursos já existentes sobre Qualidade de
serviço e implementá-los a realidade da Empresa, a fim de agilizar e qualificar os recursos de rede e
telecomunicação entre matriz e filiais, com o intuito de oferecer um serviço integro e confiável.
Este trabalho apresenta soluções que foram adotadas para adequar aplicações VoIP, e outros serviços
críticos trafegados entre os pontos da rede de dados da empresa Eletrozema Ltda , de acordo com as
necessidades da empresa, sendo assim, com o propósito de otimizar os recursos da rede através de
classificação do tráfego, determinação de prioridades das aplicações. Garantindo assim a convergência com
qualidade de dados e voz sobre a rede.
Com o alto fluxo de dados existentes em uma rede corporativa, e o custo elevado dos circuitos dedicados, a
maioria das grandes Empresas adere por utilizar seus sistemas e processos em um único meio de
comunicação, reunindo várias tecnologias e mecanismos que precisam ser tratados de acordo com a
demanda da rede. O não tratamento de alguns aplicativos como: VoIP, vídeo conferência, aplicativos
transacionais (Sistemas Gerenciadores de Banco de Dados, exemplo: SQL Server, Oracle, Firebird) e outros,
podem causar vários transtornos aos usuários como: interrupções na voz, atrasos, lentidão na base de dados,
etc. Portanto o foco principal deste trabalho é aplicar QoS, a fim de tratar, otimizar, priorizar e classificar
adequadamente as aplicações criticas trafegadas entre os pontos da rede da empresa. Com a meta de
Garantir a qualidade na interação de dados, voz e vídeo.
A metodologia de pesquisa utilizada para elaboração deste trabalho foram bibliografias e conceitos sobre
QoS, VoIP, MPLS, encontrados em livros, artigos e Internet, e metodologias similares aplicadas em outras
empresas e parceiros, dando ênfase a materiais fornecidos pela Cisco Systems. Sendo assim, aplicados e
adaptados à infra-estrutura da rede da empresa Eletrozema Ltda.
Tutorial
A Introdução deste tutorial apresenta descreve os elementos motivadores para que a empresas passassem a
se preocupar com a redução de custos e melhoria de processos, e também o cenário da rede antes da
aplicabilidade da qualidade de serviço. Além de descrever os objetivos e justificativa deste trabalho.
As seções seguintes apresentam:
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Uma breve história das redes de computadores demonstrando o surgimento e funcionamento das
redes LAN e WAN. Também é discutido o modelo de referencia OSI e suas camadas, mostrando
a importância de cada uma dentro do modelo.
A seguir são descritos os conceitos de qualidade de serviço, serviço, protocolos, e recursos que
auxiliam no funcionamento da tecnologia.
O estudo de caso de implementação de qualidade de serviço na rede de dados da empresa é
apresentado descrevendo técnicas e recursos utilizados para na implantação. Também são
demonstrados problemas e soluções apresentadas na implementação.
Finalmente, são apresentadas as conclusões e citado os trabalhos futuros a serem desenvolvidos.
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Qualidade de Serviços (QoS): Conceitos de Rede
Apresentam-se neste capítulo o modelo de referência OSI (Open Systems Interconnection, que é um
conjunto de padrões relativos à comunicação de dados), os padrões de garantia de compatibilidade e
interoperabilidade entre vários tipos de tecnologias de rede, conceitos gerais sobre a técnica de
qualidade de serviço (QoS), e ferramentas e recursos para obter uma solução eficaz através dos
modelos básicos padronizados pelo órgão regulador da Internet (IETF).
Histórico das Redes de Computadores
Entre os anos de 1950 e 1970 os mainframes (computador de grande porte, dedicado ao
processamento de grande volume de informações)dominavam o mercado coorporativo, trocando
informações através de conexões interna entre eles. Eram maquinas que já pregavam uma idéia de
conectividade, mas ainda não se tinha de fato as redes.
As redes tiveram seu surgimento por consequência dos aplicativos de computador que foram criados
para empresas, pois na época em que houve a criação dos aplicativos, os computadores que os
possuíam eram totalmente dedicados a uma função, e operavam sem depender de outros
computadores. Entretanto, foi percebido pelas empresas que a forma de administrar atual não era
eficaz e nem econômica. Então buscaram uma solução que não proporcionava a duplicação de
equipamentos e recursos que melhorava a comunicação entre os dispositivos, e principalmente
trouxesse economia e aumento de produtividade. Surgindo assim, as redes de computadores.
Em meados dos anos 80, foram notados vários problemas, pois, muitas das tecnologias de rede que
surgiram não eram compatíveis com soluções criadas anteriormente, pelo fato de diferenças de
hardware e software. Portanto para corrigir esta falha, foram criadas as redes locais.
As LAN (Local Area Network - rede local) têm o objetivo de conectar equipamentos em uma área
relativamente próxima (não geográfica dispersa), permitindo usuários dentro de um departamento
transferir rapidamente arquivos eletrônicos pela rede (figura 1). Seguindo estes conceitos, as
organizações corporativas começaram a investir alto em redes locais.
Figura 1: Rede LAN
Fonte: Cisco Systems, 1999
A idéia inicial de compartilhamento de recursos surgiu nesse tipo de rede, porque os recursos estavam
distribuídos, dando sentido à necessidade de compartilhamento. Mas como tudo tende a evoluir,
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houve a percepção da necessidade de interconectar os computadores e dispositivos, em redes
geograficamente separadas (figura 2).
Alguns fatores importantes que contribuíram para a evolução das redes WAN (Wide Area Network rede de longa distância) foi o crescimento das empresas, que por sua vez, tinham a necessidade de
trafegar informações com maior agilidade e eficiência para suas filiais, empresas parceiras,
fornecedores, etc.
Veja o que diz Comer:
O aspecto chave que separa as tecnologias de WAN de tecnologias LAN é a escalabilidade,
uma WAN deve ser capaz de crescer o quanto for necessário para conectar muitos sites
espalhados através de distâncias geograficamente grandes, com muitos computadores em cada
site. (COMER, 2001, p. 162).
Figura 2: Rede WAN
Fonte: Cisco Systems, 1999
Modelo OSI
Nas últimas duas décadas houve um grande aumento na quantidade e no tamanho das redes. Várias
redes foram criadas, onde possuíam diferentes hardwares e softwares, tornando redes incompatíveis.
Para tratar desse problema, a ISO (International Organization for Standardization, organização
internacional de padronização e normas) realizou uma pesquisa sobre vários esquemas de rede. A ISO
reconheceu a necessidade de se criar um modelo de rede para ajudar os desenvolvedores a
implementar redes que poderiam comunicar-se e trabalhar juntas. Assim, a ISO lançou em 1984 o
modelo de referência OSI.
O modelo de referência OSI permite a visualização das funções de rede que acontece em cada
camada. Sobretudo, o modelo de referência OSI que é uma estrutura usada para entendermos como as
informações trafegam através de uma rede. Além disso, você pode usar o modelo de referência OSI
para visualizar como as informações, ou pacotes de dados, trafegam desde os programas aplicativos
(por exemplo: planilhas, documentos, etc.), através de um meio de rede (cabos, etc.), até outros
programas aplicativos localizados em outro computador de uma rede, mesmo se o remetente e o
destinatário tiverem tipos diferentes de rede.
No modelo de referência OSI, existem sete camadas numeradas e cada uma ilustra uma função
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particular da rede (figura 3). Essa separação das funções da rede é chamada divisão em camadas.
Dividir a rede nessas sete camadas oferece as seguintes vantagens:
Divide as comunicações de rede em partes menores e mais simples, facilitando sua
compreensão.
Padroniza os componentes de rede, permitindo o desenvolvimento e o suporte por parte de
vários fabricantes.
Possibilita a comunicação entre tipos diferentes de hardware e de software de rede.
Evita que as modificações em uma camada afetem as outras, possibilitando maior rapidez no
seu desenvolvimento.
Figura 3: Camadas modelo OSI
Fonte: Cisco Systems, 1999
A seguir será demonstrada a importância das camadas de aplicação, apresentação, sessão, transporte,
rede, enlace, e física dentro do modelo OSI.
Camada de aplicação
A camada de aplicação é a camada do modelo OSI mais próxima do usuário. Esta camada é a porta de
entrada para a rede ou o sistema de comunicação, da forma como é vista pelos aplicativos que usam
este sistema, ou seja, fornece um conjunto de funções para serem usadas pelos aplicativos que operam
sobre o modelo OSI.
É a única camada que não fornece serviços para nenhuma das outras camadas OSI, com a sua
ausência não haveria recursos suficientes para a comunicação entre os sistemas computacionais, pois,
a mesma fornece uma interface ao resto das camadas do modelo, tendo como exemplo:
Telnet (protocolo cliente-servidor usado para permitir a comunicação entre computadores
ligados numa rede);
Correio eletrônico (e-mail);
FTP (File Transfer Protocol, protocolo de transferência de arquivos).
Camada de apresentação
A camada de apresentação garante que a informação seja divulgada pela camada de aplicação
legivelmente para outro sistema, sendo assim, codifica e converte dados com o propósito de fazer com
que os sistemas falem a mesma língua.
Suas principais funcionalidades são:
Formatação de dados;
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Criptografia de dados;
Compactação de dados.
Antes de receber e enviar os dados, a camada 6 (apresentação) do modelo OSI executa uma ou todas
suas funcionalidades sobre os dados antes de encaminhá-los a próxima camada (camada de sessão).
Camada de sessão
A camada de sessão é responsável pela inicialização, gerenciamento e finalização de sessões entre o
transmissor e receptor. Suas funcionalidades são fornecer seus serviços à camada de apresentação,
manter os dados de diferentes aplicações separados uns dos outros, ou seja, oferecer recursos e
serviços eficientes nos diálogos e conversações sobre a camada de sessão.
Camada de transporte
Está camada segmenta os dados e reconstruí os fluxos de dados provenientes de camadas superiores.
Também provêm de comunicação ponto a ponto, onde estabelece uma conexão lógica entre
aplicações origem e destino em uma rede.
A camada de transporte estabelece, mantém e termina corretamente os circuitos virtuais, e controle de
fluxo de informação, detecção e recuperação de erros de transporte, garantindo qualidade nos
serviços e confiabilidade. Ela oculta os detalhes das informações relacionadas às camadas superiores
de rede, oferecendo transparência na transmissão dos dados.
Dentro desta camada contém um conjunto de protocolos, mais conhecidos como pilha de protocolos
ou TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol, é um conjunto de protocolos de
comunicação). Os protocolos de referência dentro da pilha de protocolos são:
TCP (Transmission Control Protocol) –responsável por verificar se os dados estão sendo
enviados corretamente, ou seja, sem erros e na sequência certa, é o protocolo de controle de
transmissão que fornece um circuito virtual entre as aplicações e o usuário final, com as
seguintes características:
Orientado a conexão;
Confiável a entrega de dados;
Divide as mensagens enviadas em segmentos;
Reagrupa as mensagens na estação de destino;
Reenvia tudo o que não foi recebido;
Organiza as mensagens a partir do segmento recebido.
UDP (User Datagram Protocol) – é o protocolo de datagramas (ou pacotes) que transporta
dados sem confiabilidade entre receptor e transmissor, possuindo as seguintes características:
Não orientado a conexão;
Não confiável a entrega de dados;
Transmite mensagens em datagramas;
Não verifica conexão antes de enviar a mensagem;
Não reagrupa as mensagens de entrada;
Não fornece controle de fluxo.
O TCP/IP possui uma arquitetura própria de camadas, onde possui quatro camadas (figura 4). O
modelo TCP/IP é composto pelas camadas de aplicação, transporte, Internet, e interface com a rede.
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Figura 4: Camadas modelo TCP/IP
Fonte: Cisco Systems, 1999
Aplicação – usada pelos programas para comunicação em rede, alguns protocolos pertencentes
a camadas são: HTTP (HyperText Transfer Protocol Secure, protocolo de transferência de
hipertexto), FTP, SMTP (Simple Mail Transfer Protocol protocolo de transferência de
mensagens eletrônicas – e-mail), e outros.
Transporte – cria e faz manutenções de conexões realizando o controle de erros e fluxo de
dados. A transmissão dos dados é feita através dos protocolos TCP e UDP.
Internet – responsável por entregar, endereçar e reconstruir os pacotes. Tendo o protocolo IP
(Internet Protocol) como referencia. Todo host (dispositivo conectado em uma rede)recebe um
endereço lógico de 32 bits, ou seja, um IP.
Interface de rede – interliga as camadas superiores com a rede. As principais funções
executadas dentro desta camada são encapsulamento (proteção dos dados na rede),
mapeamento, e endereçamento de endereços IP aos endereços físicos (endereços MAC, ex.:
0080.77d0.cd65).
Camada de rede
A camada de rede é responsável pelo encaminhamento dos dados através da interligação de redes,
endereçamento de pacotes de dados, e conversão de endereços lógicos (IP) em endereços físicos ou
MAC. Dentro da mesma, a camada 3 (layer 3) do modelo OSI, é onde trabalham os roteadores,
promovendo serviços relacionados ao processo de encaminhamento.
Quando os pacotes são recebidos pelo roteador o dispositivo verifica o endereço IP de destino, caso o
pacote não for destinado ao roteador citado, o roteador verifica em sua tabela de encaminhamento
(base de dados armazenada em sua memória RAM).
As principais funções da camada de rede são:
Não orientada a conexão;
Sem garantia de entrega;
Endereçamento lógico (IP) de pacotes;
Escolha do melhor caminhamento através do encaminhamento.
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Dentro desta camada destaca-se o protocolo IP, por este motivo será descrito suas funcionalidades a
seguir:
IP - O protocolo de Internet (IP) é um endereço lógico de 32 bits com a função de endereçar,
fragmentar, e reagrupar pacotes entre redes. É preciso que se descubra o endereço MACdo
dispositivo para depois enviar o pacote endereçado para um IP (RFC 791).
O ele possui um cabeçalho que contem varias informações detalhadas (figura 5) como:
Versão (IPV4 – atual, ou IPV6 – nova versão) – o IPV4 é a versão que é utilizada atualmente, e
o IPV6 é uma versão atualizada. O IPV6 será utilizado quando houver o esgotamento de
endereços IP válidos na Internet, ou seja, da versão 4 do protocolo IP.
Comprimento do cabeçalho – tem a finalidade de mostrar o tamanho do cabeçalho IP, que
podem variar de acordo com as opções incluídas juntamente com o IP, como: criptografia,
compressão, etc.
Tipo de serviço (ToS) – neste campo é onde acontece a definição de priorização de pacote e
tratamento, se preocupando com a qualidade de serviço (QoS).
Comprimento total – totaliza o tamanho do pacote, incluído seu cabeçalho.
Identificação – identifica a fragmentação do pacote, caso o mesmo precisou ser fragmentado
devido seu tamanho original ultrapassou a unidade máxima de transmissão (MTU), ou seja, o
tamanho do pacote ser maior que o caminho a onde irá trafegar.
Flags – sinaliza como deve ser o tratamento a ser dado ao pacote, como exemplo: o pacote não
deverá ser fragmentado, ou, o pacote não tem prioridades.
Fragment Offset – neste campo é onde acontece o reagrupamento dos fragmentos.
TTL (Tempo de vida) – está função existe dentro do cabeçalho IP, afim de, prevenir loops
dentro da rede, ou seja, eliminá-lo da rede quando não encontrar o dispositivo de destino.
Protocolo – funcionalidade de identificar o protocolo que está sendo utilizado para a
comunicação entre dois dispositivos na rede. Podemos exemplificar alguns protocolos como: IP,
TCP, UDP, etc.
Figura 5: Cabeçalho IP
Fonte: Diógenes, 2004, p. 95
Camada de enlace:
Está camada oferece aos dados segurança, conversão em bits dos pacotes vindos da camada de rede,
realizando em seguida a transmissão através de um link físico (cabeamento). Os serviços prestados
pela camada de enlace são dependentes dos protocolos que provêm entrega garantida entre enlaces,
ou seja, desde o transmissor, passando por um único enlace, ate chegar ao receptor.
Os protocolos que trabalham dentro da camada de enlace possuem características importantes, como:
Encapsular datagramas da camada superior (camada de rede);
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Enviar e receber quadros (unidades de dados);
Detectar erros;
Retransmissão dos dados;
Controle de fluxo.
Alguns exemplos de protocolos de enlace são: Ethernet (padrão de transmissão de redes locais),
Frame Relay e PPP (protocolo ponto a ponto de comunicação entre redes WAN).
Camada de física
Nesta camada são definidas especificações elétricas, mecânicas, funcionais e de procedimentos. Onde
é definida a transmissão de bitspor um canal de comunicação, nível de voltagem, taxas de dados
físicos, distância máxima de transmissão, conectores físicos.
A camada física do modelo OSI é a única que possui acesso físico ao meio de transmissão da rede,
tendo como principal função adaptar o sinal lógico ao meio de transmissão.
Outras características importantes da camada física são:
Estabelecimento e encerramento de conexões: ativa e desativa conexões físicas de acordo
com as solicitações feitas pela camada de enlace
Transferência de dados: a transmissão dos dados é realizada em bits de acordo com a
ordem de chegada dos dados vindos da camada de enlace, e são devolvidos a camada de
enlace na mesma ordem que chegaram.
Gerenciamento de conexões: verifica o nível de qualidade das conexões físicas
estabelecidas, monitorando taxas de erro, disponibilidade de serviço, taxa de transmissão,
etc.
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Qualidade de Serviços (QoS): Serviços de QoS
Qualidade de Serviço
Qualidade de serviço (QoS) é a capacidade de melhorar os serviços trafegados na rede sobre
tecnologias de comunicação de redes de dados, como, Frame Relay, MPLS, Ethernet, ATM
(Asynchronous Tranfer Mode, também é um protocolo de comunicação entre redes WAN), e
qualquer outra que utiliza do protocolo IP. Tem como sua principal característica, dar
prioridade, reserva de banda, controle de jitter (variação de atraso) e latência (figura 6),
garantindo um bom desempenho das aplicações.
Figura 6: Diagrama simplificado dos mecanismos de QoS
Fonte: Cisco Systems
Veja o que diz Cisco Systems:
O objetivo da QoS é fornecer serviço de rede melhor e mais previsível, fornecendo
largura de banda dedicada, jitter controlado e latência, e perda de características
melhoradas. QoS atinge esses objetivos, fornecendo ferramentas para gerenciar o
congestionamento da rede, formação de rede tráfego, utilizando-se de maneira ampla
área de links de forma mais eficiente, e definindo políticas de tráfego em toda a rede.
QoS oferece serviços de rede inteligente que, quando corretamente aplicadas, ajudam a
fornecer desempenho consistente e previsível. (CISCO SYSTEMS, 2006).
O conceito de Qualidade de Serviço serve para mensurar a qualidade dos serviços oferecidos
por uma rede de comunicações, ou seja, refletir o quanto ela é capaz de atender às expectativas
de seus usuários através dos serviços que a mesma os oferecem. Esse conceito, inicialmente
focado na rede, evoluiu para uma noção mais ampla, contemplando as múltiplas camadas da
interação usuário-sistema.
Os parâmetros de confiabilidade, retardo, flutuação (jitter) e largura de banda estão sendo
mostrados na tabela 1 abaixo:
Tabela 1: Rigidez dos requisitos de QoS
Fonte: Tanenbaum, 2003, p. 307
APLICAÇÃO
CONFIABILIDADE
RETARDO
FLUTUAÇÃO
LARG.
BANDA
DE
13
Correio
eletrônico
Alta
Baixa
Baixa
Baixa
Alta
Baixa
Baixa
Média
Acesso a Web
Alta
Média
Baixa
Média
Login remoto
Alta
Média
Média
Baixa
Baixa
Baixa
Alta
Média
Baixa
Baixa
Alta
Alta
Baixa
Alta
Alta
Baixa
Videoconferência Baixa
Alta
Alta
Alta
Transf.
Arquivos
de
Áudio
demanda
por
Vídeo
demanda
por
Telefonia
Portanto QoS é o conjunto de regras que descrevem e determinam a qualidade de um aplicativo
ou recurso, delimitando sua largura de banda, prioridade, utilização de CPU (unidade central de
processamento), etc.
Temos dois princípios básicos para aplicarmos uma política de qualidade de serviço adequada
em redes IP, sendo eles:
Serviços integrados (Intserv);
Serviços diferenciados (Diffserv).
Serviços integrados (Intserv)
O Intserv é uma arquitetura de qualidade de serviço, que tem o propósito de garantir níveis de
qualidade de serviço fim a fim, através de recursos reservados e estabelecimento de chamada.
Ele utiliza-se do protocolo RSVP (Resource Reservation Protocol, protocolo de reserva de
recursos) para sinalizar as necessidades de QoS para cada dispositivo ao longo da rede,
permitindo que vários transmissores enviem os dados para vários grupos de receptores,
eliminando o congestionamento da rede.
Veja o que diz Tanenbaum:
O principal protocolo da IETF (Internet Engeneering Task Force, é uma comunidade
aberta a desenvolvedores de recursos para a Internet) para a arquitetura de serviços
integrados é o RSVP, descrito na RFC 2205 e em outras. Esse protocolo é empregado
para fazer as reservas; outros protocolos são usados para transmitir os dados. O RSVP
permite que vários transmissores enviem os dados para vários grupos de receptores, torna
possível receptores individuais mudarem livremente de canais e otimiza o uso da largura
de banda ao mesmo tempo que elimina o congestionamento. (TANENBAUM, 2003, p.
317).
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Figura 7: Estabelecimento de chamada RSVP
Fonte: Kurose, 2006, p.492
Os serviços integrados (Intserv) possuem duas classes de serviços: serviço de carga garantido e
serviço de carga controlada.
Serviço de carga garantido: estabelece limites rígidos (que podem ser provados
matematicamente) para atrasos de fila que um pacote sofrerá em um roteador, definida no
RFC 2212.
Serviço de rede de carga controlada: tem como foco as aplicações multimídia, permitindo
com que pacotes com taxas muito altas passem pelo roteador sem que haja descarte de
pacotes, por outro lado, não a garantias de desempenho. Portanto a um bom
funcionamento apenas quando a rede está descongestionada, definida no RFC 2211.
Serviços diferenciados (DiffServ)
É baseado no tratamento diferenciado de classes, podendo manipular diferentes tipos de classes
de varias maneiras dentro da rede. Este tratamento é repetido nó a nó, ou seja, os pacotes de
uma aplicação prioritária quando chegam a um nó (roteador) são separados e recebem um
tratamento diferenciado.
Veja o que diz Falsarella:
(...) tudo começa no byte ToS (Type of Service) que fica dentro do cabeçalho do IPv4.
Como o ToS é um byte, ele é obviamente composto de 8 bits, sendo que apenas 6 bits são
utilizados propriamente para formação do DS Field (Campo dos Serviços Diferenciados)
e os outros dois bits são tidos como reservados. O DS Field é quem define o tal do DSCP
que significa DiffServ Code Point. Como ele é composto de 6 bits, temos em decimal
então uma permutação de 2 elevado a 6 que é 64 valores possíveis, variando portanto de
0 a 63. Essa faixa de valores é que define literalmente a marcação dos pacotes. De
antemão, todo pacote BestEffort (BE) ou Melhor Esforço é tratado como DSCP 0 ou em
binário 000000. (FALSARELLA, 2009, p. 1).
Para obter serviços diferenciados, a rede tenta entregar um determinado tipo de serviço com
base no QoS especificado por cada pacote, sendo assim, classificados, marcados, policiados,
priorizados, descartados, e enviados pelo roteador de origem, até o roteador de destino (figura
8).
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Figura 8: Classificação dos pacotes e policiamento
Fonte: Kurose, 2006, p.496
Classificações, Marcação, e Policiamento
A classificação identifica os grupos de pacotes que receberão um determinado tratamento. Eles
podem ser classificados de acordo com critérios variados, onde os roteadores realizam a
marcação dos pacotes, e separam os pacotes que entram na rede através de diversas classes de
serviço (EF, AF, Default, etc.), onde são classificados com base nas portas TCP dos aplicativos
(figura 9).
Figura 9: Classes de serviço
Fonte: Falsarella, 2009
O DiffServ também são identificados pelos roteadores através de valores decimais, onde cada
valor representa uma classe de serviço (tabela 2). Estes valores são derivados dos 6 bits do
campo do DiffServ.
Tabela 2: Valores decimais DiffServ
Fonte: Haden, 2009
DSCP BINARY DECIMAL DSCP BINARY DECIMAL
Default000000 0
CS4 100000 32
16
CS1
AF11
AF12
AF13
CS2
AF21
AF22
AF23
CS3
AF31
AF32
AF33
001000
001010
001100
001110
010000
010010
010100
010110
011000
011010
011100
011110
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
AF41
AF42
AF43
CS5
EF
CS6
CS7
100010
100100
100110
101000
101110
110000
111000
34
36
38
40
46
48
56
O policiamento analisa e gerencia a capacidade total de largura de banda na rede, sendo que,
quando a ultrapassem do limite de tráfego contratado, ocorre o descarte ou remarcação dos
pacotes não identificados em nem uma das classes (figura 10).
Figura 10: Policiamento de pacotes
Fonte: Cisco Systems
Compressões de cabeçalho
A tecnologia de compressão de cabeçalho possui características de otimizar a rede, diminuído
congestionamentos ocorrentes.
Este recurso tem a principal finalidade de comprimir cabeçalhos de protocolos em varias
camadas do modelo OSI (Open Systems Interconnection), alguns exemplos são: TCP, RTP
(Real-time Transport Protocol protocolo utilizado em aplicações de tempo real), IP, UDP,
reduzindo o tamanho (frame) dos dados que circulam na rede.
17
Figura 11: Compressão de cabeçalho RTP
Fonte: Silva, 2000
A compressão de cabeçalho é normalmente utilizada em redes que trafegam voz e vídeo, onde
necessitam de largura de banda, e são serviços que utilizam protocolo de tempo real (figura 11).
“Portanto, o uso do cRTP (compressão de cabeçalho) não é sugerido em enlaces de alta
velocidade, uma vez que a relação custo versus benefício pode não compensar” (SILVA, 2000,
p. 1).
Fragmentações e Interleaving
Os pacotes de voz e vídeo são extremamente sensíveis a atraso, portanto devem ser
intercalados, e fragmentados, dentro de uma rede de dados.
Veja o que diz Cisco Systems:
(...) um pacote VoIP pode precisar esperar até 187,5 ms antes de poder ser enviado se o
atraso ocorrer atrás de um único pacote de 1500 bytes em uma ligação de 64 kbit/s. Os
pacotes VoIP são normalmente enviados a cada 20 ms. Com um orçamento de atraso de
ponta a ponta de 150 ms e requisitos de variação de sinal estrita, uma lacuna de mais de
180 ms é inaceitável.
É necessário um mecanismo que garanta que o tamanho de uma unidade de transmissão
seja menor que 10 ms. Qualquer pacote que tenha um atraso de serialização maior que 10
ms precisam ser fragmentado em blocos de 10 ms. Um bloco ou fragmento de 10 ms é o
número de bytes que pode ser enviado pela ligação em 10 ms. (CISCO SYSTEMS, 2006).
Para que haja a necessidade de fragmentar e intercalar um pacote, o mesmo deve ser maior do
que o valor total de capacidade do link (tabela 3).
Tabela 3: Velocidade do link e tamanho da fragmentação
Fonte: Cisco Systems, 2006
18
VELOCIDADE
DO LINK
(KBIT/S)
56
64
128
256
512
768
1024
1536
TAMANHO
DA
FRAGMENTAÇÃO (BYTES)
70
80
160
320
640
960
1280
1920
(Não é exigida fragmentação se
o tamanho da fragmentação for
maior do que o tamanho do
link.)
Conformidades de tráfego (Traffic Shaping)
O Traffic Shaping tem o objetivo de adequar o tráfego da rede ao perfil contratado pelo cliente,
através de buffers de saída que armazenam as maiores rajadas de trafego, e os transmitem
dentro dos limites de capacidade do link.
Figura 12: Conformidade de tráfego (Traffic Shape)
Fonte: Cisco Systems
Portanto o objetivo principal do recurso de QoS Traffic Shaping, é evitar que pacotes sejam
descartados na rede, colocando–os em uma fila de espera, até que possam ser enviados.
Algoritmos de Enfileiramento de Pacotes
Congestionamentos podem ocorrer em qualquer lugar dentro de uma rede, ocorrendo
desigualdades de velocidade, falta de prioridades, etc. Portanto este fato é causado pelo alto
fluxo de dados que às vezes ultrapassa a capacidade do canal de transmissão (link) por onde
passa as aplicações (figura 13).
Veja o que diz Mauricio:
(...) em qualquer rede de comunicação, cada aplicação compete com outras pela largura
de banda que ela precisa para obter uma ótima performance. Além de assegurar-se que
há largura de banda suficiente, uma performance aceitável depende que os requisitos de
largura de banda para cada aplicação também sejam satisfeitos. As soluções com esse fim
19
incluem segregar o tráfego em links individuais ou usar mecanismos de QoS para designar
níveis de largura de banda variáveis para cada aplicação, dentro de um link.
(MAURICIO, 2008).
Figura 13: QoS em aplicações multimídia
Fonte: Mauricio, 2008
Qualidade de serviço (QoS), é composta por vários componentes (algoritmos), que associados,
trabalham em prol da administração e prevenção de congestionamento. Estes componentes
foram projetados para servir necessidades diferentes de trafego, através de filas bem projetadas.
Alguns exemplos de algoritmos de enfileiramento são:
First In, First Out (FIFO) - armazena os pacotes em uma fila única de acordo com a
ordem de chegada na fila (figura 14), até que o envio de dados seja disponibilizado nas
interfaces de Roteadores e switches (equipamento responsável pelo
encaminhamento de pacotes a diversos pontos dentro de uma rede
local).
Figura 14: Funcionamento filas FIFO
Fonte: Silva, 2000
Priority Queuing (PQ) – são atribuídos prioridades (baixa, normal, media, alta) aos
pacotes, e em seguida, são adicionados as filas com suas respectivas características
prioritárias (figura 15), onde os pacotes não marcados serão classificados como de
prioridade normal (default).
20
Figura 15: Funcionamento filas Priority Queuing
Fonte: Silva, 2000
Weighted Fair Queueing – os pacotes são alocados a uma classe (voz, e-mail, etc.), e em
seguida, após serem classificados de acordo com sua precedência, recursos, e indicadores,
os mesmos são enviado à rede de destino. Este algoritmo proporciona uma justa
distribuição de banda na rede, melhorando o seu desempenho. Este algoritmo tem a
capacidade de fazer com que fluxos que estejam enfrentando congestionamento, por
exemplo, possam ser atendidos com uma menor frequência em relação aos outros
(figura18).
Figura 16: Funcionamento filas Weighted Fair Queueing
Fonte: Silva, 2000
Segundo Gimenes (2003) diferentes técnicas de escalonamento (redução ou compactação de
processos) podem ser utilizadas conforme o tipo de tráfego a ser transmitido, de forma a suprir a
necessidades específicas de diferentes usuários.
Codecs
21
Um componente de estrema importância para a transmissão de voz em uma rede de dados são
os áudios codec. Eles possuem a função de codificar e decodificar um sinal (exemplo: voz,
vídeo), ou seja, transformar sinal analógico em um sinal digital.
Existem vários tipos de codec, onde cada um possui características diferentes de qualidade de
voz (mos score), consumo de banda (bit rate), delay (tabela 4).
Tabela 4: Lista de Codecs de áudio
Fonte: Cisco Systems, 2009
BIT
MÉTODO DE
MOS DELAY
RATE
COMPRESSÃO
SCORE (MS)
(KBIT/S)
G.711 PCM
64
4.1
0.75
G.726 ADPCM
32
3.85
1
G.728 LD-CELP
16
3.61
3a5
G.729 CS-ACELP
8
3.92
10
G.729
x
2
8
3.27
10
Encodings
G.729
x
3
8
2.68
10
Encodings
G.729a
8
3.7
10
CS-ACELP
G.723.1 MP-MLQ
6.3
3.9
30
G.723.1 ACELP
5.3
3.65
30
Listas de Acesso (Access-Lists)
As Listas de acesso ou lista de controle de acesso têm a finalidade de permitir, ou negar, um
serviço, por exemplo, um determinado IP, servidores, impressora, aplicativo, ou seja, qualquer
dispositivo na rede.
Estes parâmetros de filtragem de pacotes são normalmente implementados em roteadores e
switches, principalmente em grandes redes que utilizam qualidade de serviço. (QoS).
IOS (Internet Operating System)
O Internet Operating System (IOS) é um software proprietário da empresa Cisco Systems,
utilizado em roteadores e switches para interpretar comandos e características básicas de
protocolos de rede. O Cisco IOS é um software que contém instruções que controlam e
gerenciam as atividades de um roteador e switch.
Seus recursos são disponibilizados de acordo com suas versões operacionais, onde cada versão
oferece serviços diferenciados, como: QoS, VoIP, Segurança, Correção de bugs, entre outros.
Portando a escolha da melhor versão de IOS a ser utilizado nos roteadores e switches, irá
depender da necessidade de cada rede.
Protocolos de Enlace de Dados
22
As redes de comutação de pacotes pegam os dados e os quebram em pequenos segmentos
chamados de pacotes, e logo em seguida, adicionam as informações de controle e transmitem os
dados. Portanto os protocolos de enlace são responsáveis por conectar duas extremidades
geograficamente separadas, possibilitando o tráfego de informações nos dois sentidos de
transmissão. Serão abordados nesse trabalho dois protocolos utilizados no estudo de caso da
empresa Eletrozema Ltda.
Frame Relay
O Frame Relay é um protocolo de comunicação de dados padronizado internacionalmente pelos
órgãos:
ITU-T - International Telecommunication Union
ANSI - American National Standards Institute
Figura 17: Rede Frame Relay
Fonte: Cisco Systems
Está Tecnologia opera na camada física e de enlace do modelo OSI, onde é definido dentro da
rede um caminho lógico, que age como uma linha privada. Este caminho é chamado de circuito
virtual (VC). Estes circuitos virtuais podem ser:
Permanentes (PV) - caminhos fixos entre dois nós, que sempre estão com acesso
disponível.
Comutados (SVC) – a conexão é feita de forma dinâmica baseada na requisição do
usuário, ou seja, ele é baseado em chamadas.
Um circuito virtual Frame Relay também é composto por um endereço chamado de DLCI
(Data Link Connection Identifier). Este endereço é atribuído pela empresa de
telecomunicações á qual é feito o aluguel do link. O DLCI possui um significado de
endereçamento local na rede ou nuvem da operadora, onde é feito a leitura deste endereço, e
em seguida o encaminhamento a rede de destino (figura 17).
MPLS (Multi-Protocol Label Switching)
O MPLS é uma tecnologia de comutação de dados padronizada pela IETF, funciona em um
paradigma baseado em rotulo, rotulando pacotes conforme entrada e saída na rede, ou seja, os
dados são processados e divididos em classes de serviço, e em seguida enviados através de
caminhos que foram determinados pelas classes. O MPLS trabalha entre as camadas 2 (enlace)
e 3 (rede) do modelo OSI, sendo determinando por alguns autores como camada 2,5 (dois e
meio) do modelo OSI.
23
Figura 18: Rede MPLS
Fonte: Mauricio, 2006
O protocolo possui vários componentes responsáveis pelo encaminhamento de pacotes, são
eles:
Label - seria uma abreviação do cabeçalho do pacote, de tamanho curto e significado
local.
Label Switch Path (LSP) - seria o caminho onde os pacotes irão percorrer em uma rede
MPLS.
Label Distribution (LDP) - protocolo responsável por distribuir os label entre os
roteadores.
Forwarding Equivalency Class (FEC) - conjunto de regras que irão determinar para qual
caminho o pacote seguir para chegar a classe que ele pertence.
Label Information Base (LIB) - tabela de encaminhamento, que adiciona ou remove um
label a um pacote, direcionando o pacote ao caminho a qual deve ser enviado.
Label Switch Router (LSR) - são os roteadores de comutação de rótulos, que ficam
situados nas bordas, e no núcleo da rede MPLS.
Veja o que diz Mauricio:
O protocolo MPLS é definido pelo IETF (Internet Engineering Task Force) e consiste em
uma tecnologia de chaveamento de pacotes que proporciona o encaminhamento e a
comutação eficientes de fluxos de tráfego através da rede, apresentando-se como uma
solução para diminuir o processamento nos equipamentos de rede e interligar com maior
eficiência redes de tecnologias distintas. O termo "Multiprotocol" significa que esta
tecnologia pode ser usada sob qualquer protocolo de rede. Considerando a Internet e a
importância de seus protocolos nas varias WAN’s publicas e privadas, tem-se aplicado o
estudo e implementação do MPLS basicamente para redes. (MAURICIO, 2006).
24
Qualidade de Serviços (QoS): Implementação QoS – Estudo de Caso
Neste capítulo será demonstrado a implementação de QoS na rede de dados da empresa
Eletrozema Ltda, onde foram feitos levantamentos de requisitos, experimentos, e analise, sendo
assim, aplicado técnicas de qualidade de serviços (QoS), e implantado juntamente com a
operadora de telefonia uma nova tecnologia de comutação de dados. Para preservar a segurança
da empresa, não serão fornecidos nomes, configurações ou localidades reais.
Requisitos da Rede
A topologia de rede da empresa é formada por um roteador central (fabricante Cisco)
interligado a um PABX, concentrados na matriz, e mais outros roteadores em 200 filiais, onde
em cada roteador possuem dois telefones convencionais interligados as suas interfaces de voz
(figura 19).
Figura 19: Topologia rede Frame Relay
Fonte: Eletrozema, 2009
A tecnologia de comunicação utilizada entre matriz e filial é a frame relay, a mesma demanda
um alto custo, e não garante um desempenho satisfatório nas aplicações trafegadas na rede, pois
mesmo a velocidade de conexão sendo de 128 K, a operadora garante apenas 96 k, pelo fator
do valor garantido contratado pela empresa (Cir) junto à operadora de telefonia. Caso a
empresa contratasse o serviço frame relay com banda cheia (full), o custo não era viável ao
orçamento da filial.
Figura 20: Rede congestionada
Fonte: Eletrozema, 2009
Também não é aplicado QoS (Qualidade de serviço) sobre a tecnologia, sendo assim, apresenta
lentidão nas aplicações, interrupções nos serviços VoIP (voz sobre IP) em momentos de
congestionamento da rede (figura 20).
25
A ultrapassem da capacidade total dos links concentradores na matriz, e também nas filiais,
foram identificados na rede através da utilização de ferramentas de analise de trafego (firewall)
e estudos junto a Cisco Systems, onde foi verificado que algumas aplicações usavam mais banda
do que realmente necessitavam para um bom funcionamento. Temos como exemplo as
aplicações antivírus que necessitavam de atualizações mensalmente que ocupavam 40% da
banda, sendo assim, definido após testes e analise 1% da banda total do link para este tipo de
aplicação. Portanto também foi definido após testes, este mesmo procedimento para outros
aplicativos de acordo com seu mínimo de banda requerido para um bom funcionamento, sendo
eles:
Atualizações de antivírus;
Programas de conexão remota (WinVNC, PcAnyware);
Streaming de vídeo;
Fax por IP.
Os aplicativos relacionados acima não são tratados na rede, ou seja, não há nenhuma regra que
faça o controle dos mesmos, por este motivo interferem diretamente no desempenho de toda
rede da empresa, conforme demonstra a figura 21, que mostra o ponto (link) concentrador em
horários de maior trafego sendo utilizado sua capacidade máxima de banda, que é de 12
megabits.
Figura 21: Tráfego da rede ponto concentrador sem QoS
Fonte: Eletrozema, 2009
Os roteadores travam constantemente devido a pouca quantidade de memória DRAM, que é de
16 megabits, que não suporta o grande volume de roteamento. Um fato também que contribui
no baixo desempenho dos dispositivos é o protocolo frame relay, que exige um alto custo de
processamento nos roteadores, fatos estes analisados junto a Cisco Systems. Podemos visualizar
na figura 22 que o eixo X demonstra em horas (exemplo: 0; 5; 10; 20) de processamento da
CPU, e o eixo Y mostra em porcentagem (exemplo: 10; 20; 30; 40) o consumo de CPU do
roteador.
26
Figura 22: Gráfico unidade central de processamento (CPU) do roteador (sem QoS)
Fonte: Eletrozema, 2009
Alguns fatores impedem a implantação de qualidade de serviço (QoS) em alguns roteadores,
pelo fato de seus sistemas operacionais não suportarem a implementação de prioridades,
classificação, marcação, e controle de banda no tráfego dos pacotes de dados e voz na rede, ou
seja, seus IOS(Internetwork Operating System) estarem desatualizados (figura 23).
Figura 23: Versão IOS sem suporte QoS
Fonte: Eletrozema, 2009
Implementação de QoS
Será apresentado a configuração dos parâmetros de qualidade de serviço (QoS) que foram
aplicados na rede de dados da empresa Eletrozema Ltda.
Primeiramente houve a necessidade de migrar as redes de comunicação de dados entre matriz e
filial para a tecnologia MPLS, pelo fato da mesma possuir recursos favoráveis a qualidade de
serviço como encaminhamento rápido de pacotes, suporte a serviços diferenciados (DiffServ), e
VPN (rede virtual privada).
O método de serviço abordado e utilizado de acordo com as necessidades e perfil da rede da
empresa após testes e analise, foi o Diffserv. O mesmo foi escolhido pelo fato de obter
características que adaptam melhor cada classe de serviço dentro da rede, sendo assim, mais
completo do que os serviços Intserv, conforme apresentado no capitulo 2.
Depois de vários questionamentos junto a Cisco Systems, a técnica de escalonamento escolhida
para a utilização foi a Weighted Fair Queueing por garantir diferentes tipos de prioridades
dentro de um fluxo de dados, também discutido no capitulo 2.
Ainda foram utilizados outros recursos para aprimorar a qualidade de serviço (QoS) na rede, tais
como:
Codecs - para menor consumo de banda pelos ramais VoIP, sem interferir na qualidade da
voz.
Traffic Shape – impede a ocorrência de rajadas, atrasos e perdas de pacotes, oferecendo
assim, um melhor desempenho no trafego dos dados.
27
Classificação e Marcação de Pacotes
Após testes e análises, as marcações dos pacotes foram estipuladas em quatro classes de
serviços que foram definidas com diferentes prioridades, e reserva de banda, dentro de uma
política de marcação (policy-map) conforme figura 24.
Figura 24: Políticas QoS
Fonte: Eletrozema, 2009
As classes foram definidas em:
Tráfego de voz (class voice-trafego): está classe é a responsável por classificar e marcar
os pacotes de voz na rede. Os mesmos foram separados e marcados (figura 26) com
Diffserv EF (46), ou seja, os dados de voz têm maior prioridade por não poder haver
atrasos no envio e recebimento destes pacotes.
Sinalização de voz (class voice-sinaling): está classe é responsável por marcar e
classificar os pacotes de sinalização de voz (figura 24), ou seja, quando um ponto da rede
(filial ou matriz) efetua uma chamada VoIP , essa solicitação é registrada por essa classe
(figura 25), que oferece as devidas precedências aos pacotes.
Tráfego internet (class trafego-email): nesta classe foram adicionados políticas para todos
os serviços de Internet (figura 24), e de transações de arquivos. Sendo alguns deles:
Email (pop3 e smtp);
Transferência de arquivos (FTP);
Navegação (www);
Gerenciador de banco de dados (SQL).
Classe default (class class-default): está classe foi definida com a política de tratar dados
com menor prioridade na rede (figura 24), ou seja, se o serviço que entrar na rede não se
enquadrar em nenhuma das classes anteriores, esses pacotes serão automaticamente
classificados com nível de prioridade menor que todos outros pacotes na rede (figura 24).
Dentro desta classe também é definido o algoritmo de escalonamento fair queue (figura
24), que oferece preferência aos dados com tamanho maior dentro da fila.
A policy-map (política de marcação de pacotes) foi aplicada na porta Wan dos roteadores das
filiais e matriz através de uma interface virtual associada a serial Wan, chamada de Multilink,
marcando os dados de saída da mesma. Esta situação está sendo apresentada na figura 28.
Figura 25: Aplicação de Policiamento
Fonte: Eletrozema, 2009
28
Figura 26: Marcação de pacotes Classes de serviço QoS
Fonte: Eletrozema, 2009
As classificações (class-map) dos pacotes foram definidas de duas formas, sendo elas:
Match all (and) - todas as regras devem ser atendidas para que um determinado pacote
pertença a uma classe de serviço (figura 27).
Match any (or) – se alguma regra for atendida o pacote pertence à classe de serviço
determinada (figura 27).
Figura 27: Classes de serviço QoS
Fonte: Eletrozema, 2009
Conformidade de Tráfego (Traffic Shaping)
O traffic Shaping foi implementado apenas nas redes de dados das filiais, afim de, aproveitar
toda a capacidade do link implantado pela operadora de telefonia (figura 28), pois em alguns
casos testados, os links não alcançavam a capacidade total contratada que é de 128 k.
Na matriz não houve a necessidade de aplicar a ferramenta, pelo fato dos links serem superiores
a velocidade de 512 k e não possuírem compressão de cabeçalho, fato este demonstrados em
estudos da Cisco Systems. A compressão de cabeçalho está descrita no capitulo 2.
A figura a seguir apresenta a configuração Traffic Shaping:
29
Figura 28: Implementação Traffic Shaping
Fonte: Eletrozema, 2009
Listas de Acesso (Access-Lists)
Após na analise na rede, as listas de acesso (Access-lists) foram implementadas na matriz e
filiais de acordo com as necessidades do tráfego da rede, através de controle de acesso e
filtragem de pacotes.
O controle e filtro das aplicações são feitos através de identificação de portas TCP ou UDP, e
protocolo IP (figura 29), que podem ser de origem ou destino. Portanto as access-lists são
responsáveis pela identificação dos pacotes na rede, auxiliando as classes de serviços na
classificação dos dados identificados.
A figura a seguir apresenta a configuração Access-Lists:
Figura 29: Listas de Acesso (Access-lists)
Fonte: Eletrozema, 2009
Codecs
Os codecs foram habilitados tanto na matriz, como nas filiais, a fim de decodificar e codificar a
voz. Sendo assim, segundo Gimenes (2003, p.38) “a voz é digitalizada, comprimida, colocada
em pacotes IP e transportada através da rede”.
Dentre os vários codecs apresentados no capitulo 2 através da tabela 4, o escolhido foi o
G.729a, por apresentar boa qualidade de voz e baixo consumo de banda.
Por padrão as filiais da empresa possuem dois ramais VoIP, sendo assim através da aplicação de
codec, foram definidos para uso de cada canal 15 kbit/s, ou seja, o serviço tem 30 kbit/s
reservado dentro de cada rede nas filiais (figura 27) para a utilização dos serviços de voz sobre
IP (VoIP).
Os codecs foram configurados nas dial peer dos roteadores (figura 30), que estão interligadas
30
logicamente com as portas físicas das placas VoIP, direcionando e recebendo chamadas.
Figura 30: Codec G729
Fonte: Eletrozema, 2009
Problemas Relacionados ao Software (IOS) Cisco
Durante a implementação de QoS na rede de dados da Empresa Eletrozema Ltda foi
apresentado vários problemas decorrentes dos software dos roteadores das filais, pois a grande
parte dos roteadores dentro da rede estavam com seus IOS (Internet Operating System) com
versões que apresentavam os seguintes erros durante a configuração dos recursos de qualidade
de serviço:
Comandos de criação de policiamento (policy map) inexistentes;
Chamadas VoIP sendo finalizada após 5 segundos;
Comandos de ativação de codecs inexistentes;
Marcação de pacotes desativada;
Comandos de ativação de traffic shape inexistentes;
Compressão desabilitada;
Ligações VoIP com interrupções.
Soluções
Após analise juntamente com a Cisco Systems, vários testes e pesquisas,foram constatados que
a solução mais cabível para os problemas encontrados seria a atualização das versões de IOS
dos roteadores nas filiais de acordo com a característica individual de cada modelo de
equipamento, eliminado todas as causas de incompatibilidade de versões de software entre os
roteadores.
Problemas Relacionados ao Hardware
Antes da atualização do IOS foi realizado aumento de memória em alguns roteadores que
possuíam pouca capacidade de memória Flash e DRAM, ocasionando travamentos e lentidão,
precisando ser reinicializados varias vezes durante o dia.
O requisito mínimo para um bom funcionamento dos serviços de VoIP e QoS recomendado pela
a CiscoSystems é de 32 MB DRAM, e 16 MB Flash, sendo assim, uma versão de IOS básica
(versão:12.2(8)T5), que possui recursos necessário para um bom funcionamento dos serviços.
A tabela 5 abaixo demonstra os modelos de roteadores existentes na rede da empresa, e suas
especificações de hardware.
Tabela 5: Especificações memória Flash e DRAM roteadores
MODELO
FLASH
DRAM
Cisco 1750
8 MB
16 MB
Cisco 1751 V
32 MB
32 MB
Cisco 2801
64 MB
64 MB
31
De acordo com pesquisas realizadas nas documentações técnicas dos IOS da Cisco Systems, e
testes realizados nos roteadores da empresa, foi identificado que:
Os modelos 1750 não suportam nenhuma versão de IOS que obtinha recursos de voz
sobre IP, e suporte a qualidade de serviços. Pois o mínimo requerido de memória Flash
pelo sistema operacional (versão: 12.2(8)T5) é de 16 MB, e de DRAM é de 32 MB.
Os modelos 1751 V possuem hardware e software suficientes para aplicação de qualidade
de serviço em redes com serviços VoIP, conforme tabela 5.
Os modelos 2801 também são compatíveis com os requisitos exigidos de software e
hardware.
Soluções
A solução encontrada para os problemas relacionados ao hardware foi primeiramente
identificar os modelos (1750) de roteadores na rede, e logo em seguida, a atualização das
memórias Flash para 16 MB e DRAM para 32 MB em cada filial, de acordo com os requisitos
mínimos para o funcionamento correto dos recursos.
Resultados Obtidos
Com a aplicação de qualidade de serviço na rede foram obtidos melhorias nos serviços VoIP,
agilidade nas aplicações, redução de processamento dos roteadores diminuindo seu travamento,
tornando assim, uma rede disponível, confiável e integra.
Na figura 31 é apresentada a redução de processamento nos roteadores, e na figura 32 é
demonstrado a diminuição de consumo de banda no ponto concentrador da empresa
(responsável por servir as informações aos demais pontos da rede – filiais).
Figura 31: Gráfico unidade central de processamento (CPU) do roteador (com QoS)
Fonte: Eletrozema, 2009
Figura 32: Tráfego da rede ponto concentrador com QoS
Fonte: Eletrozema, 2009
32
Qualidade de Serviços (QoS): Considerações Finais
O crescimento das redes IP de alta velocidade nas empresas de médio e grande porte tende a
crescer a cada ano, pelo fato das corporações necessitarem cada vez mais de comunicações
seguras, disponíveis, e ágeis. Sendo assim, proporcionando cada vez mais a unificação das
aplicações de voz e dados.
Dentro da qualidade de serviço existem outros mecanismos para controle de tráfego, de
congestionamento, e de enfileiramento. Portanto as técnicas utilizadas no projeto foram as que
melhor adaptaram a rede da empresa após inúmeros testes e estudos.
A aplicabilidade de qualidade de serviço proporcionou uma melhoria considerável nas
aplicações e serviços utilizados na rede. Onde podemos destacar a melhoria da voz sobre IP
(VoIP) com a eliminação de interrupções quando a rede estava congestionada, controle de
banda de aplicativos que pesavam toda conexão quando realizavam atualizações, tendo assim,
um ganho de desempenho em toda rede.
Assim conclui-se que a utilização de QoS (qualidade de serviço) na rede , fez com que vários
problemas como citados no capitulo 3 deixassem de existir e ou passassem a ocorrer
ocasionalmente, tendo o mesmo facilitado a comunicação entre filiais e matriz proporcionando
uma melhor qualidade aos pacotes de dados e voz trafegados, garantindo assim, um melhor
desempenho em dados e voz sobre IP, podendo oferecer um serviço integro e confiável à
empresa. Sendo assim, obtido os resultados esperados.
Trabalhos futuros
Como trabalhos futuros pretende-se ainda aprofundar-se mais na qualidade de serviço focando
a aplicabilidade da tecnologia sobre videoconferência, e para melhorar ainda mais o
desempenho das conexões entre matriz e filiais pretende-se efetuar estudos e testes da
tecnologia WAAS (Wide Area Application Services) desenvolvida pela Cisco Systems, que vem
com a proposta de otimizar a transmissão de dados das redes WAN (Wide Area Network),
proporcionando ganhos de 90% no desempenho das aplicações mais populares como:
compartilhamento de arquivos, gerenciadores de banco de dados, etc.
Referências
TANENBAUM, Andrew S. Redes de Computadores. 4. Ed. São Paulo: Ed. Campus,
2003.968p.
KUROSE, James F. Ross Keith W. Redes de Computadores e a Internet. 3. ed. São Paulo:
Ed.Pearson Addison,2006.656p.
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408p.
INTERNET ENGINEERING TASK FORCE (IETF). Request for Comments (RFC). Disponível
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http://www.ietf.org/rfc.html
33
Acesso em 25/08/09.
ELETROZEMA LTDA, Tecnologia da Informação - Telecomunicações. CDA Araxá, 2009.
GIMENES, E. Voz sobre IP e qualidade de serviço em redes multiserviços. 2003.121 f. Tese
(Mestrado em Redes de Computadores) – Instituto de Psicologia, Universidade de Salvador,
Bahia. 2003.
CISCO SYSTEMS. Programa Cisco Networking Academy v.2.1, EUA, 1999.
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Qualidade de Serviços (QoS): Tema Principal: Teste seu entendimento
1. Qual é o objetivo das redes locais (LAN)?
Conectar equipamentos em áreas relativamente distantes (geográfica dispersa).
Conectar equipamentos em uma área relativamente próxima (não geográfica dispersa).
Conectar roteadores apenas em área relativamente próxima (não geográfica dispersa).
Nenhuma das anteriores.
2. Qual das alternativas abaixo representa uma das vantagens do modelo de referência
OSI?
Divide as comunicações de rede em partes menores e mais simples, facilitando sua
compreensão.
Padroniza os componentes de rede, permitindo o desenvolvimento e o suporte por parte de
vários fabricantes.
Possibilita a comunicação entre tipos diferentes de hardware e de software de rede.
Evita que as modificações em uma camada afetem as outras, possibilitando maior rapidez
no seu desenvolvimento.
Todas as alternativas anteriores.
3. Qual das alternativas abaixo não representa uma das filas usadas como suporte para a
implementação dos mecanismos de Qualidade de Serviço (QoS)?
Weighted Poor Queueing.
First In, First Out (FIFO).
Priority Queuing (PQ).
Weighted Fair Queueing.
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