IEEE 802.1D IEEE 802.1Q QoS-Quality of Service Aluno: Vinicius Fernandes de Oliveira vinicius@vinicius.eti.br Janeiro de 2003 LECA-DCA / PPgEE - Disciplina: Arquitetura de Redes eProtocolos de Baixo Nível

Agenda Introdução ao QoS IEEE 802.1D IEEE 802.1Q Arquiteturas QoS ( DiffServ e IntServ )

Um cenário típico atual Serviços Integrados Serviços Integrados I n t e r n e t PPP PPP LAN Ethernet LAN Ethernet Serviços Integrados Serviços Integrados Estariam os usuários PPP satisfeitos com a qualidade de serviço ? E os usuários da LAN ?

Soluções QoS I n t e r n e t Arquitetura DiffServ (nível 3) Aplicações Multimídias Aplicações Multimídias I n t e r n e t Arquitetura DiffServ (nível 3) ? ? ? PPP ? ? ? Protocolo MPLS (nível 2 ½ ) PPP LAN Ethernet LAN Ethernet Contratos SLA 802.1D 802.1Q Arq. IntServ Prot. RSVP Arq. IntServ Prot. RSVP 802.1D 802.1Q Aplicações Multimídias Aplicações Multimídias QoS fim a fim ( nível 4 ) Prot. RTP, RTPC

Exigências das aplicações Serviços integrados Voz Dados Vídeo Parâmetros de Qos Largura de banda Baixa a moderada Moderada a alta Alta Sensibilidade a perdas Baixa Alta Baixa Sensibilidade a atrasos Alta Baixa Alta Determinismo: a própria natureza de um processo fabril justifica a necessidade das redes serem determinísticas. Não há sentido um sensor de pressão ficar esperando a rede ficar livre para informar que em breve tudo poderá explodir. Resposta imediata a eventos também é fundamental. Segurança nas informações: A grande maioria dos processos necessitam de informações precisas para fornecer o resultado esperado. Outros processos não podem parar sob o risco de comprometer toda uma produção: defeitos ou manutenções não são tolerados. Interface homem-máquina: não deve haver dúvidas entre o que o operador vê na interface e o que acontece de fato na chão da fábrica. Estrutura física: quanto mais simples, menores os custos de instalação, manutenção, além de diminuir os riscos potenciais. Segurança física: a rede não pode ser um fator de risco em ambientes perigosos. Os componentes e o projeto devem implementar seguranças adicionais. Os equípamentos devem ser protegidos das ações do meio físico. Área física: quanto maior a área de abrangência, mais críticos se tornam os itens anteriores. Longevidade: a redes industriais se “incorporam” ao meio físico que controlam, sendo assim menos flexíveis a grandes mudanças. Seria absurdo refazer um projeto de rede só porque não existe mais “aquela versão”. Sensibilidade a “jitter” Alta Baixa Alta Disponibilidade ( projeto ) Baixa* Alta* Moderada* * Depende principalmente da aplicação

Análise conjunta QoS e Largura de Banda Link super provisionado Custo maior QoS desnecessário, exceto como instrumento gerencial ou de garantias adicionais

Análise conjunta QoS e Largura de Banda Tráfego quase sempre congestionado QoS muito útil

Análise conjunta QoS e Largura de Banda Link sub-provisionado QoS pode ser útil, porém é necessário aumentar a largura de banda

Soluções alternativas à QoS RDSI - Faixa estreita ( voz + dados ) Tecnologia STM RDSI - Faixa larga ( voz + dados + vídeo ) Tecnologia ATM ( possui QoS ) IEEE 802.9 - ( voz + dados + vídeo ) Padrões de nível PHY e MAC Propõe integração de RDSI, FDDI, TE (equipamento terminal) , ISTE (equipamento terminal de serviços integrados) e LANs 802

Política, gerenciamento e contabilidade de QoS Componentes QoS Nó Host Nó cliente Nó com QoS Sinalização do QoS Política, gerenciamento e contabilidade de QoS Nó com QoS: mecanismos para classificação, controle de filas, fluxo e ajuste do tráfego Sinalização QoS: técnicas para coordenar os elementos da rede Política, gerenciamento e contabilidade: controlam e administram o tráfego em toda a rede

IEEE 802.1 IEEE 802.1 é um grupo de trabalho que desenvolve padrões e recomendações práticas nas áreas de: arquiteturas LAN/MAN 802, interfaces entre internet e LAN/MAN 802, MANs e outras redes de grande abrangência, gerenciamento de redes sobre 802 e protocolos abragendo os níveis MAC e LCC. Todos os padrões 802.1 são desenvolvidos para serem compatíveis com todas as arquiteturas MAC e PHY desenvolvidas pelo IEEE.

IEEE 802.1D O padrão IEEE 802.1D foi inicialmente criado para implementações de bridges transparentes O padrão IEEE 802.1p foi um suplemento ao 802.1D onde implementou classes de tráfego, priorização de tráfego e suporte dinâmico a multicast Em janeiro de 2003, IEEE 802.1D incorporou o IEEE 802.1p e esse foi então arquivado

IEEE 802.1D Bridge transparente 1 2 A B 3 4 1 3 1 2 1 2 A B 3 4 Rede Host 1 3 1 2 1 2 A B 4 3 A 2 1 Rede Host B 3 4

IEEE 802.1D Bridge transparente 7 8 D E 9 10 C 6 1 2 1 7 A 5 B 3 4 5 Rede Host 1 2 1 7 A B 4 C 6 3 A 2 1 Rede Host 5 B 3 4

IEEE 802.1D Bridge transparente 1 2 1 3 A Loop de bridge ?? ?? B 3 4 Rede Host B 4 3 A 2 1 Rede Host Loop de bridge ?? ?? B 1 B B 1 3 4

IEEE 802.1D Bridge transparente Pode ocorrer loop de bridges Pode ocorrer envio ininterrupto de frames de broadcast A solução é utilizar STA ( Spanning Tree Algorithm ) Faz um bloqueio das portas que podem ocasionar loops resultando uma topologia árvore As portas bloqueadas podem ser reativadas se necessário As bridges transparentes trocam mensagens de configuração e mudanças de topologias ( BPDU - Bridge Protocol Data Units ) Havendo mudanças, o STA é novamente executado

IEEE 802.1D Bridge transparente com STA B1 B5 B4 B3 B2 L2 L5 L1 L3 L4 Rede original Rede ativa STA para B1

IEEE 802.1D Fila, classes de tráfego e prioridade ( 802.1p ) Fila de saída 1 4 2 3 Classe 5 Porta Frames 1 2 3 4 5 6 7 Saem 1º  2 802.1Q 7 MAC Token ring (default) 3 Host 9 --- 5 Host 7 Host 1 Prior. Dest Orig. Porta de saída     Últimos

IEEE 802.1D Classes de tráfego Prioridades São permitidas até 8 classes de tráfego As classes podem ser divididas para aplicações: Críticas com relação ao tempo e a segurança Críticas com relação ao tempo Não críticas em relação ao tempo mas sensíveis a perdas Não críticas em relação ao tempo e nem sensíveis a perda Prioridades Existem 8 valores de prioridade ( 0 a 7 ) Valor 7 é o mais prioritário que valor 1 Valor 0 é o default e o menos prioritário, mas combinado com a classe de tráfego, pode sair antes. Possui uma dependência da tecnologia MAC associada

IEEE 802.1D Multicast com filtragem pela base de dados (802.1p) 4 2 3 Classe 5 Porta Fila de saída Frames 1 2 3 4 5 6 7 Saem 1º  Filtro Host 8 2 Host 7 1 Porta Saída End. Destino Porta Entrada Grupos Grupos multicast G1 G3 G2 2 802.1Q 7 MAC Token ring (default) 3 Host 9 --- 5 Host 7 Host 1 Prior. Dest Orig. Porta de saída     Últimos GARP GMRP

IEEE 802.1D Filtragem pela base de dados Grupo Entradas estáticas: introduzidas pelo gerente Encaminhamento para todos os grupos Encaminhamento para grupos não registrados Filtragem de grupos não registrados Entradas dinâmicas Entradas através de registro ( utiliza GMRP ) Grupo Uma conjunto de atributos que definem o encaminhamento e filtragem de informações destinadas a um conjunto MAC (membros do grupo) Exemplo: um grupo multicast para receber streams de vídeo

IEEE 802.1D GARP ( Generic Attribute Registration Protocol ) Define o método, sintaxe do quadro e regras para incluir e eliminar registros da base de dados Usado para registro de VLANs e de multicast A informação se propaga para todos os bridges com suporte a GARP GMRP ( GARP Multicast Registration Protocol ) É uma aplicação GARP Permite que dispositivos declarem participação como membros em um grupo de multicast Estações usuárias devem suportar 802.1D Não existe interface entre IGMP e GMRP

Perde informação de prioridade IEEE 802.1Q “VLAN” com 802.1D - Problemas Suporte a 802.1D Perde informação de prioridade S1 S2 MAC

Suporte a 802.1Q ( semelhante 802.1D ) IEEE 802.1Q VLAN com 802.1Q Suporte a 802.1Q ( semelhante 802.1D ) Preserva informação de prioridade Identifica a VLAN S1 S2 MAC taggeado MAC taggeado

IEEE 802.1Q VLANs baseadas em portas Marca frame (tag) e retira a marca (untag) quando necessário: Estações que não implementam 802.1Q ( legados ) tem seus quadros untagged Estações e switchs que implementam 802.1Q continuam com quadros tagged Utiliza GVRP ( GARP VLAN Registration Protocol) Uma nova aplicação GARP Semelhante ao GMRP. Principais diferenças: acrescenta a identificação da VLAN ( VID ) no protocolo registra e elimina VID e não apenas membros de grupos Também propaga registro VLAN através da rede

IEEE 802.1Q Enlaces 802.1Q S1 S2 Enlace de acesso não suporta VLAN switch põe / retira tags Enlace híbrido ( estações sem 802.1Q tem que ser da mesma VLAN ) 802.1Q S1 S2 Enlace tronco: mútiplas VLANs quadros marcados

IEEE 802.1Q - Quadros marcados 4 bytes inseridos após o campo SA: 7 1 6 6 2 46-1500 4 FCS Dados Tipo/Tam SA DA SFD Preâmb. 7 1 6 6 2 2 2 46-1500 4 SA TPID FCS Dados Tipo/Tam TCI DA SFD Preâmb. 3 bits 1 bit 12 bits 8100h VLAN ID CFI Prioridade Número de identificação da VLAN Indica que segue a TAG ( 802.3ac ) Canônico - sempre 0 Prioridade 802.1D

IEEE 802.1Q - Tabelas de VLAN São as tabelas de encaminhamento, mantida dentro dos switchs Relacionam “ VID x Portas x MACs ” Tabelas múltiplas (Multiple Filtering Database): Cada VLAN é mantida em uma tabela “ Portas x MACs “ Tabela única (Single Filtering Database): É mantida uma tabela “ VID x Portas x MACs “ Permite criação de VLAN assimétrica: típico para ambiente cliente-servidor, ambos untagged. Configura-se uma VLAN onde o servidor pode trocar informações com todos os clientes, porém os clientes da VLAN não trocam informações entre si. Implementa muitas funcionalidades do 802.1D, porém, para cada VLAN

DiffServ - Serviços Diferenciados QoS é garantida através de mecanismos de priorização de pacotes na rede: Os pacotes são classificados, marcados e processados segundo o seu rótulo ( DSCP - Differentiated Service Code Point ) As informações trafegam em 1 byte já existente na definição do cabeçalho IP ( ToS - Type of Service ) e que não é usado pelos protocolos tradicionais Cada roteador tem que implementar mecanismos de controle de fluxo e tráfego para tratar esse byte O roteador de entrada na borda é quem faz a classificação - os demais só retransmitem conforme regras da classe a que pertencem DS - Domínio DiffServ: o conjunto contíguo de roteadores que implementam o serviço

DiffServ - DSCP Byte ToS do IP: PHB - Per- Hop Behaviour EF - Expedited Forwarding Emula um linha privada Baixas taxas de perda, retardo e jitter AF - Assured Forwarding Classes Ouro, Prata, Bronze e melhor esforço + 3 níveis de precedência Emula uma rede com pouca carga A escolha da classe é motivo de uma SLA (Service Level Agreement )

DiffServ - Blocos funcionais Presentes nos roteadores de borda e raramente no backbone Além do DSCP (classificador BA - Behaviour Aggregate) , pode-se usar outros campos (classificador MF - Multi-Field) com base nas características do pacote (origem, aplicação, etc.) Monitoração do fluxo ( policiamento ) necessário para verificar se o tráfego está dentro dos parâmetros acordados no SLA

IntServ - Serviços integrados QoS é garantida através de mecanismos de reservas de recursos A reserva de recursos é feita utilizando o protocolo RSVP ( Resource ReSerVation Protocol ) Oferece dois tipos de serviço (além do “melhor esfôrço”) Serviço garantido (RFC 2212) garante banda, atraso máximo para o fluxo de dados e não descarte de pacotes se não houver recursos, a admissão ao serviço é rejeitada Carga controlada (RFC 2211) garante QoS similar a uma rede “sem carga” mesmo congestionado, a admissão ao serviço é garantido Inclui ainda: um conjunto de parâmetros para caracterização e controle dos fluxos com QoS (RFC2215) base de dados para gerencimento dos serviços (RFC2213)

IntServ - RSVP Características gerais É um protocolo apenas de sinalização Solicita a reserva de recursos, sem entrar no mérito do “como” fazer O receptor é quem faz a reservas de recursos É simplex, ou seja, as reservas de recursos são unidirecionais Roteadores sem suporte a RSVP não impedem a sua utilização (operação transparente)

IntServ - RSVP - Sinalização (1) O transmissor envia uma mensagem PATH para o receptor especificando características do tráfego. (2) Cada roteador intermediário ao longo do caminho, passa a mensagem PATH para o próximo roteador, determinado pelo protocolo de roteamento. (3) (4) Ao receber uma mensagem PATH, o receptor responde com uma mensagem RESV para requisitar recursos para o fluxo. (5) Cada roteador intermediário ao longo do caminho, pode rejeitar ou aceitar as requisições da mensagem RESV. (6) Se a sinalização for aceita, largura de banda no enlace e espaço nos buffers são alocados para cada fluxo

IntServ - Componentes Sinalização com protocolo RSVP (reserva de recursos) Rotina de controle de admissão: decidirá se uma requisição por recursos pode ser garantida. Classificador: ao receber um pacote, o classificador realizará uma classificação Multi-Field (MF) e colocará o pacote em uma fila específica baseada no resultado da classificação. Escalonador de pacotes: escalonará os pacotes de forma a satisfazer suas exigências de QoS. Observação: isso gera problemas escalabilidade no caso de aumento de fluxo - por isso não é comum usar em backbones

Alguma pergunta ? I n t e r n e t Obrigado pela atenção Aplicações Multimídias Aplicações Multimídias I n t e r n e t Arquitetura DiffServ (nível 3) ? ? ? PPP ? ? ? Protocolo MPLS (nível 2 ½ ) PPP LAN Ethernet LAN Ethernet Contratos SLA 802.1D 802.1Q Arq. IntServ Prot. RSVP Arq. IntServ Prot. RSVP 802.1D 802.1Q Aplicações Multimídias Aplicações Multimídias QoS fim a fim ( nível 4 ) Prot. RTP, RTPC Obrigado pela atenção