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QoS EN REDES DE ÁREA LOCAL.
QoS IN LOCAL AREA NETWORKS.
Elennis Díaz Laurencio 1 , Reinier Martínez Gómez^2 , Marely del Rosario Cruz Felipe 3 , Pedro Manuel Puig Diaz^4
1 Universidad de las Ciencias Informáticas, [email protected], Cuba, Calle 6ta, No. 4, Sagua de Tánamo, Holguín 2 Universidad de las Ciencias Informáticas, Cuba, [email protected] 3 Universidad de las Ciencias Informáticas, Cuba, [email protected] 4 Universidad de las Ciencias Informáticas, Cuba, [email protected]
Resumen: En el presente artículo se realizará un estudio de los principales parámetros de calidad de servicios manejados en redes de área local. Se describen los estándares utilizados para la priorización de las tramas Ethernet en Redes de Área Local y muestra la utilidad del campo tipo de servicio ubicado en la cabecera del datagrama IP. Se hace referencia a los modelos para la implementación de la calidad y al análisis de los mecanismos de cola para el control de la congestión en las redes y se simula mediante el simulador OPNET IT GURU Edición Académica, el comportamiento de los mismos teniendo en cuenta los parámetros de QoS para una red en cuestión. Permitiendo llegar a un conjunto de conclusiones sobre el empleo de la QoS en redes de área local.
Palabras Clave: Calidad de servicio, QoS , parámetros, redes de área local.
AbstracT: This paper will study the main quality parameters managed services in local area networks. It describes the standards used for prioritization of Ethernet frames in Local Area Networks and shows the usefulness of the service type field in the header of the IP datagram. Reference is made to the models for the implementation of quality and analysis of tail mechanisms for controlling congestion in the network and is simulated by the simulator OPNET IT Guru Academic Edition, behavior thereof taking into account the QoS parameters for a network in question. Allowing reach a set of conclusions on the use of QoS in LANs.
KeyWords: Quality of Service, QoS, parameters, local area networks.
1. INTRODUCCIÓN
En la actualidad la implementación de nuevos servicios en Redes de Área Local ( Local Area Network , LAN) ha ganado vital importancia respondiendo a la exigencia de los usuarios y siendo posible gracias al desarrollo de las telemáticas, el cual ha sido propiciado por los avances obtenidos en el área de la informática, la electrónica y las redes de datos. En redes Internet Protocol (IP) convencionales todos los paquetes son tratados por los equipos de interconexión con el mismo nivel de prioridad en el proceso de encaminamiento, pero con el crecimiento de la red y la aparición de nuevos servicios ha aumentado
considerablemente el tráfico que circula en el interior de la LAN, además el mismo será muy
diverso y tendrá requerimientos específicos de acuerdo con los parámetros a establecer para un trato diferencial de la información correspondientes a los servicios ofrecidos; en dicho trato se tiene en cuenta que, por ejemplo, los servicios del tipo " real-time " (voz y video) que requieren una latencia mínima no se pueden tratar con la misma prioridad que el tráfico del Protocolo de Transferencia de Archivos (FTP). Para satisfacer los requerimientos de calidad se acude a la implementación de mecanismos para este fin en las principales capas del modelo OSI ( Open System Interconnection , Interconexión de Sistemas Abiertos), en este sentido se pueden priorizar longitudes de onda a nivel físico, o una Red Virtual de Área Local ( Virtual Local Area Network , VLAN) determinada en la capa de enlace, además se puede configurar los dispositivos de capa tres para el trato de las colas de paquetes, la reservación de ancho de banda y la gestión del tráfico. De aquí la importancia de la Calidad de Servicio ( QoS, Quality of Service ) en redes en cuanto al tratamiento del tráfico generado en la misma, ya que brinda un nivel de servicio más eficiente al diferenciar el tráfico en el interior de una LAN ya sea web, correo, Voz IP o cualquier otro servicio, lo que proporciona un nivel mayor de eficiencia, para los usuarios a los cuales va dirigido [1].
La QoS se define según la Unión Internacional de Telecomunicaciones en UIT-T [E 800] como: El efecto global de las prestaciones de un servicio que determinan el grado de satisfacción de un usuario al utilizar dicho servicio [2].
El notable crecimiento de las redes de telecomunicaciones ha demandado cambios en la LAN, los cuales están dirigidos principalmente a la percepción por parte de los usuarios de los servicios ofrecidos y ha satisfacer las necesidades crecientes de acceder a nuevas aplicaciones, ejemplo de las cuales lo constituye la telefonía sobre IP, el video sobre IP, las video conferencias, aplicaciones de colaboración y aplicaciones en tiempo real entre otras. Estas aplicaciones requieren valores determinados de tiempo de retardo, pérdida de paquetes y ancho de banda.
2. PARAMETROS DE QoS MANEJADOS EN REDES LAN
Una red debe garantizar un nivel de QoS para un determinado tráfico que sigue un conjunto de parámetros los cuales se explicarán a continuación [3].
Latencia: Tiempo entre el envío de un mensaje por parte del equipo transmisor y la recepción del mensaje por parte del equipo receptor. Se tiene en cuenta además los retardos ocurridos durante el canal o en los dispositivos de interconexión por los cuales transita. Los factores que influyen en la latencia de una red son los siguientes: Retardo de propagación, velocidad de transmisión y el procesamiento en el equipamiento de interconexión. Esta puede variar dependiendo del volumen de otros datos en el sistema y de otras características de la carga del sistema.
Pérdida de paquetes: El porcentaje de paquetes que no llegan a su destino mide la pérdida de paquetes de la red. Esta pérdida puede producirse por errores en alguno de los equipos que permiten la conectividad de la red o por sobrepasar la capacidad de algún buffer de algún equipo o aplicación en momentos de congestión. Normalmente en aplicaciones que no funcionan en tiempo real pueden aprovecharse de la retransmisión de los paquetes, pero, por ejemplo, la telefonía IP funciona en tiempo real y sus paquetes no pueden ser retransmitidos.
Ancho de banda: Una medida de la capacidad de transmisión de datos, expresada generalmente en Kilobits por segundo (kbps) o en Megabits por segundo (Mbps). Indica la capacidad máxima teórica de una conexión, pero esta capacidad teórica se ve disminuida por factores negativos tales como el retardo de transmisión, que pueden causar un deterioro en la calidad. Aumentar el ancho de banda significa poder transmitir más datos, pero también implica un incremento económico y en ocasiones resulta imposible su ampliación sin cambiar de tecnología de red.
Estos parámetros no son los únicos mencionados en la bibliografía al tratar los términos de QoS, pero si son determinantes para analizar el comportamiento de la calidad en Redes de Área Local, en estas redes se debe de tener en cuenta la utilidad de los dispositivos de interconexión según las capas del modelo OSI y su relación con la QoS.
un trato preferencial, mientras que los paquetes de baja prioridad se mantendrán en suspenso.
Figura.2: Primeros 2 Bytes del estándar 802.1 q.
La figura 2 muestra los primeros 2 bytes correspondiente al segmento de la trama Ethernet dedicado al estándar 802.1 q mostrado en la figura 2, el estándar 802.1 p permite asignar 8 niveles de prioridad en VLAN’s, desde 0 (bajo) hasta 7 (elevado).
El etiquetado IEEE 802.1p aumenta el tamaño de los paquetes. Algunos concentradores y conmutadores no reconocen los paquetes muy grandes debido a que exceden el tamaño máximo de la trama estándar de los paquetes Ethernet y los desactivan. Es importante señalar que solo este estándar será efectivo si los dispositivos que enrutan los paquetes son compatibles con 802.1p.
Este protocolo aplica prioridad por puerto, es decir, en caso de tener que elegir que paquete se envía primero el Switch transmitirá el que tenga mayor prioridad. Esta prioridad se debe de configurar en cada puerto del Switch y aplica a cualquier paquete que provenga de ese puerto. Esto es muy conveniente cuando se tienen conectados servidores.
3.2 QoS EN CAPA DE RED
El protocolo de Internet IP original es no orientado a la conexión y ofrece servicios del mejor esfuerzo, es decir sin ninguna identificación de calidad de servicio. El servicio recibido por un usuario final depende de la carga de la red de comunicación. La administración de colas dentro de los enrutadores es esencialmente a través de FIFO (First In First Out). En relación a las herramientas para identificar el flujo de tráfico.
En esta capa se hace necesario marcar el tráfico para así diferenciar los paquetes y darle prioridad a los que lo requieran, para este propósito el datagrama IP cuanta con el campo ToS (Type of Service) el cual se muestra en la figura 3, el mismo que consta de 8 bits en la cabecera IPv4, este campo contiene, a su vez, dos informaciones: DSCP (Differentiated Services Code Point) y ECN (Explicit Congestion Notification) [4]. Los paquetes que se envían a través de la red con el mismo identificador DSCP necesitan ser tratados coherentemente por cada enrutador que conforman la red. Esta opción se visualiza en la figura 3:
Figura.3: Cabecera de paquete IPv4 e identificador de grupo de flujos. En el campo DSCP es posible codificar hasta 26 = 64 posibles prioridades. De éstas, 32 están reservadas para usos experimentales y 32 pueden ser utilizadas, de las cuales, a su vez, 21 están estandarizadas por el IETF (Internet Engineering Task Force). Las prioridades estandarizadas se dividen en 3 grupos:
- DE (DEfault): Se asume el comportamiento por defecto, utilizando por tanto técnicas de encolamiento de “mejor esfuerzo”. El valor típico de DSCP para este tipo de tráfico es 000000.
- AF (Assured Forwarding): Estandarizado en el RFC 2597, donde se definen 4 clases de prioridades dentro de este tipo de priorización.
- EF (Expedited Forwarding): Estandarizado en el RFC 2598, establece las máximas prioridades para el tráfico marcado con este identificador. El valor típico de DSCP utilizado es 101110.
El campo ECN permite conocer el estado de congestión del destino. Es utilizado para que el destino pueda indicarle a la fuente, aún antes de perder paquetes, que existe cierto estado de congestión, de manera que la fuente pueda tomar los recaudos apropiados, por ejemplo, disminuyendo el ancho de banda utilizado. Un valor de ECN = 11 indica que existe congestión. Los valores 10 y 01 indican que no existe congestión. El valor 00 indica que el extremo distante no soporta la función de notificación de congestión.
MODELOS PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE QoS
Los modelos de QoS para Internet son estándares abiertos definidos por le IETF, existen dos modelos de calidad de servicio normalizados: IntServ y DiffServ. Estos dos modelos mejoran el servicio sobre las redes IP que siguen un sistema de mejor serv icio o Best-Effort el cual se describe en el RFC 1812, Best-Effort presenta complicaciones para la prestación de servicios de red que requieran la transmisión de datos en tiempo real, puesto que la llegada de datos desordenados o la pérdida de información pueden ser críticas. El modelo IntServ, donde las aplicaciones cuyo tráfico requieren tratamiento diferencial señalizan la red para requerir y garantizar los recursos necesarios para el adecuado funcionamiento de la aplicación, y garantiza las condiciones de operación de cada una de las sesiones que se establecen. Y por último el modelo DiffServ, en el cual la infraestructura de la red es la que reconoce los diferentes tipos de tráfico y aplica políticas diferenciadas para cada clase de tráfico, este es más escalable y flexible en su implementación [6] [7].
Mecanismos de cola.
En las redes los diferentes dispositivos activos deben manejar grandes volúmenes de tráfico, los cuales utilizan algoritmos de cola para organizar el tráfico y después aplican un método de priorización para su expedición, dentro de los algoritmos de gestión de colas más utilizados se encuentran los siguientes [3]:
FIFO: En su forma más sencilla, el mecanismo de cola FIFO, se encarga de almacenar paquetes cuando hay congestión en la red, y a enviarlos cuando tiene la posibilidad, manteniendo el orden de llegada, es decir, que no ofrece ninguna prioridad de unos paquetes sobre otros como se muestra en la figura 4.
Figura.4: Mecanismo de cola FIFO. Es el método más rápido. Cisco lo utiliza por defecto en enlaces superiores a 1.5 Mbps. Hoy en día se necesitan algoritmos más sofisticados, que permiten diferenciar entre distintos tipos de paquete, por lo que este método está cayendo en desuso. PQ ( Priority Queuing , Organización en colas por prioridad): Da prioridad estricta al tráfico importante, lo que asegura que el tráfico importante reciba un servicio rápido en cada punto de la red, donde este mecanismo esté presente.
Figura.5: Mecanismo de cola PQ. Como se muestra en la figura 5 en este mecanismo cada uno de los paquetes debe de ser colocado en una de las cuatro posibles colas (alta, media, normal, baja prioridad), servidas en riguroso orden de prioridad, ofrece garantías totales y las prioridades se definen por filtros en los routers. Este método tiene inconvenientes ya que por ser estático no se adapta a los requerimientos de la red, además puede crear inanición, es decir dejar fuera de servicio a tráfico menos prioritario. CO ( Custom Queuing , Organización en colas a la medida): Fue diseñado para permitir que varias aplicaciones compartieran la red, y que además tuvieran asignado un ancho de banda mínimo garantizado, y unas garantías aceptables en cuanto a los retrasos.
Figura.6: Mecanismo de cola WFQ. Como se observa en la figura 6 WFQ es un algoritmo de cola basado en flujos o sesiones, que realiza dos tareas simultáneamente y de forma automática: Organiza el tráfico de tiempo real, poniéndolo al principio de la cola, reduciendo así el tiempo de respuesta. Y comparte equitativamente
lo relacionado con la QoS en cada una de las tecnologías inalámbrica analizadas. Además se utilizó el simulador OPNET IT GURU Edición Académica para la simulación de una red LAN y su comportamiento.
4. CONCLUSIONES
La QoS es una técnica empleada en las redes de telecomunicaciones para la satisfacción de un usuario al utilizar un servicio dado. Una red LAN proporciona QoS cuando se establecen determinados valores de ancho de banda, latencia y pérdidas de paquetes. En la capa de enlace los mecanismos implementados para la calidad de servicio están encaminados a la configuración de VLANs y el tratamiento diferenciado entre estas. Para la capa de red los modelos de QoS que actualmente se implementan son: la arquitectura IntServ que produce una reserva absoluta de los recursos de la red para un tráfico determinado, y la arquitectura DiffServ que divide el tráfico en un pequeño número de clases, y asigna recursos en función de cada clase.
Es importante señalar que la congestión en los equipamientos de interconexión puede afectar la QoS, por esta razón existen los mecanismos de cola FIFO, PQ, CO y WFQ. Se simuló una red LAN empleándose los mecanismos de cola y mostrando como mejor mecanismo WFQ al analizar el parámetro latencia, lo cual demuestra que la capacidad de WFQ al ser adaptativo lo hace mejor que el resto de los mecanismos. Se realizó una simulación para analizar el parámetro caudal, configurándose los mecanismos de cola FIFO, PQ, CQ y WFQ, mostrando a CQ como el mecanismo de mejor comportamiento sobre los restantes para la red en cuestión. En la simulación el parámetro pérdida de paquetes tiende a cero debido a que en la red simulada se emplea el protocolo Ethernet.
5. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. RIVERO, Yeraldy C: “ Análisis de tráfico de la red del servicio de la administración aduanera del estado Zulia ”, Zulia,Venezuela, 2006. 2. TERNERO, María del Carmen Romero: “ Calidad de servicio (QoS) en redes. Sevilla ”, España,
3. SILVA, Carlos Alberto Cadena: ” Control de tráfico en redes tcp/ip fundamentado en procedimientos y técnicas de calidad de servicio a lo largo de una infraestructura de telecomunicaciones ”. Sangolquí, Ecuador, 2010. 4. JOSKOWICZ, José: “ VOZ, VIDEO Y TELEFONIA SOBRE IP “, Universidad de la República, Montevideo, Uruguay, pp. 48 – 52, 2011. 5. LAN/MAN Standards Committee of the IEEE Computer Society. 2006. “ Virtual Bridged Local Area Networks ”. The Institute of Electrical and Electronics Engineers, USA, ISBN 0-7381-4876-6,
6. GEROMETTA, Oscar: “ Modelos de implementación de QoS ”. 2010. 7. RIVERO, Adrián Delfino Sebastián. Diffserv: “ Servicios Diferenciados, Monografía de Evaluación de Performance en Redes de Telecomunicaciones”, “2008de una infraestructura de telecomunicaciones ”. Sangolquí, Ecuador, 2010. 6. Síntesis Curriculares de los Autores
Elennis Díaz Laurencio, Fecha de nacimiento 11 de Enero de 1984 en Sagua de Tánamo, Holguín. Ingeniera en Ciencias Informáticas ¨Universidad de Ciencias Informáticas¨ 2007. Profesor en la universidad de las Ciencias Informáticas, Categoría Docente: Instructor, Jefa de colectivo de asignatura de gestión de Software. Pertenece al grupo de soporte del Centro DATEC.
