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Transition Networks

Calidad de servicio (QoS)

Resumen
Es evidente que con la introducción de nuevas tecnologías como Voz sobre IP y video digital, los administradores y administradores de redes tienen dificultades para mantenerse al día con los crecientes requisitos de ancho de banda. Estas tecnologías se traen con expectativas históricamente altas de confiabilidad y calidad. Las redes de hoy deben tratar estos servicios como una alta prioridad. Estos protocolos de red de área local (Ethernet, etc.) tradicionalmente de “mejor esfuerzo” enfrentan dificultades para manejar estos requisitos de alta prioridad. Quality of Service (QoS) promete un mejor manejo de estos nuevos desafíos; aumentando la fiabilidad y la calidad.

Los administradores de red tienen dos tipos principales de técnicas de QoS disponibles. Pueden intentar negociar, reservar y establecer la capacidad para ciertos tipos de servicio (QoS dura), o simplemente priorizar los datos sin reservar ningún "ajuste de capacidad" (QoS suave). Este documento discutirá las técnicas de QoS tanto duras como blandas, incluyendo 802.1P, Precedencia IP, Servicios Diferenciados, Protocolo de Reserva de Recursos (RSVP) y recursos prioritarios específicos de ATM. El documento también explicará cómo implementar las características de QoS en el convertidor de agregación de administración de Transition Networks.

QoS 101

QoS son las siglas de Quality of Service. En QoS, el ancho de banda, las tasas de error y la latencia se pueden monitorear, muestrear y posiblemente mejorar. QoS también ofrece el conjunto de herramientas para ayudar a entregar datos de manera eficiente al reducir el impacto de la demora durante las horas pico cuando las redes se acercan a su capacidad máxima. QoS no agrega capacidad; ni multiplexa las señales como WDM. Simplemente intenta administrar mejor el tráfico de datos para que el tráfico de máxima prioridad no se vea comprometido. QoS ayuda a administrar el uso del ancho de banda mediante la aplicación de un conjunto de herramientas como el esquema de prioridad, por lo que ciertos paquetes (de misión crítica, paquetes obligatorios) se reenviarán primero.

QoS frente a clase de servicio (CoS)

QoS se utiliza a menudo junto con la clase de servicio. La definición más corta de CoS sería "una agrupación". CoS define grupos de tráfico con un tipo específico de servicio, QoS gestiona este tipo de servicio y asegura que se entregue. Los tipos de datos similares, como voz, video en vivo o transmisión de video y transferencia de archivos grandes, pueden agruparse en una clase de servicio y tratarse con el mismo nivel de prioridad de servicio.

La necesidad de QoS

Muchos usuarios creen que más ancho de banda resolverá el problema. Sin embargo, es posible que lanzar más ancho de banda ya no funcione. La telefonía de voz sobre IP y otras nuevas tecnologías, como la seguridad por video en red, el monitoreo remoto y la grabación a través de redes IP, se están volviendo más populares. Han comenzado a penetrar en redes tradicionalmente orientadas a datos, lo que obliga a los administradores y gerentes de red a emplear medidas como QoS para acomodar estas tecnologías de manera eficiente y sin ninguna barra invertida en el rendimiento de una red existente.

El tráfico multiservicio es difícil de manejar de manera eficiente porque cada tipo de tráfico requiere una velocidad de transferencia diferente y cada uno tiene una tolerancia diferente para el retraso o la secuenciación de paquetes. Los protocolos LAN de mejor esfuerzo originales fueron diseñados para aplicaciones tales como conectividad básica entre estaciones, transferencia de archivos, correo electrónico, MRP y más tarde en Internet.

Figura 1: Integración de VoIP

Estas aplicaciones no se ven comprometidas por el retraso de los paquetes, por lo que siempre que se establezca la conexión y la transferencia de datos se realice de una manera menos irritante, la red cumplió su propósito. Además, el tráfico multiservicio debe coexistir pacíficamente con la infraestructura existente. En muchos casos, VoIP debe enrutarse de regreso a la PSTN (consulte la Figura 1) para completar la llamada necesaria o el video IP debe transmitirse a través del circuito cerrado de TV (CCTV) existente.

El ancho de banda de la red sigue siendo importante, pero ya no es el único factor a considerar para implementar tecnologías futuras. Es necesario leer, comprender e implementar las nuevas características específicas de este tráfico (retardo, fluctuación, etc.).

Una de las claves para transmitir voz o video a través de cualquier medio es el mantenimiento de un nivel de calidad. La calidad de la voz o el video puede deteriorarse como resultado de tres factores:

Sobrecompresión

Las relaciones de compresión son inversamente proporcionales a la calidad de una señal de voz que se transmite a través de la red y es inferior a lo que el usuario está acostumbrado con Plain Old Telephone (POTS). Cuanto menor sea la compresión, mayor será el rendimiento necesario para transmitir paquetes de voz, lo que aumenta la posibilidad de congestión de la red y, en consecuencia, la pérdida de calidad. Los usuarios pueden controlar fácilmente la compresión.

Pérdida de paquetes en la red

Los paquetes se pierden en la red, lo que no es un problema para las aplicaciones tradicionales. La calidad de las aplicaciones tradicionales, como las transferencias de archivos, es inmune a la pérdida de paquetes porque la red reconoce estas pérdidas y las retransmite. Los productos VoIP reconstruyen los paquetes si el número es mínimo. La regla general es que no se deben perder más de 10% de paquetes en las redes VOIP, de lo contrario, la calidad de la voz se verá comprometida.

Latencia

El retraso en las redes de datos no es tan crítico. Esperar a que se cargue una página web no es tan irritante como un silencio en su receptor cuando está en medio de una conversación importante. Un retardo máximo de 150 ms es la regla general para que la latencia unidireccional logre una calidad similar a la de la voz POTS.

Los administradores de red enfrentan un nuevo desafío con las aplicaciones de voz y seguridad. Los POTS tradicionales son muy fiables en términos de transporte y fiabilidad. Es difícil imaginar la situación cuando no tiene tono de marcación en nuestro teléfono, incluso durante la peor tormenta. Si bien era aceptable esperar 5 segundos para cargar una página web, es imposible tolerar tal demora durante una conferencia telefónica con el cliente. Es imposible aceptar una voz que se interrumpe o una latencia notable.

Estas expectativas se están llevando a las redes "oportunistas - mejor esfuerzo" que crean la necesidad de QoS. Los sistemas primero en entrar, primero en salir (FIFO), tan comúnmente utilizados en redes oportunistas, deben ser reemplazados por herramientas de asignación de recursos más sofisticadas, a menudo dinámicas, comenzando con 802.1P y hasta RSVP.

Una condición importante que debe cumplirse para que la QoS sea exitosa es que debe emplearse y administrarse de un extremo a otro, en varias LAN y WAN (consulte la Figura 2). Esto puede garantizar que se aborden todos los cuellos de botella y que la voz / video no se distorsione. Si QoS se emplea solo en la parte de la red, todo lo que tenga que salir de esta red a través del "cuello de botella" se tratará y reenviará en el orden en que se recibió, a la velocidad disponible y con un posible retraso.

Figura 2: Aplicación VoIP de extremo a extremo

Los protocolos difieren en su capacidad natural para manejar adecuadamente grandes volúmenes de tráfico y algunos ofrecen tradicionalmente una mayor "confiabilidad". ATM es un protocolo muy exitoso en las aplicaciones multimedia porque ATM puede proporcionar tarifas y conexiones garantizadas que son tan valiosas para la transmisión de voz o video. ATM prioriza el tráfico asignándolo a una de las cuatro clases de servicio. Cada clase puede recibir un nivel de prioridad. Existen las siguientes cuatro prioridades / colas de servicio ATM:

  • Constante Bit Rate (CBR) garantía absoluta de un nivel de servicio (VoIP o circuitos de voz estándar).
  • Tasa de bits variable (VBR) para tasas de transmisión variables con ráfagas con un rendimiento muy bueno, pero sin garantía de consistencia en el tiempo (FTP, transmisión).
  • La tasa de bits disponible (ABR) ofrece una garantía mínima.
  • Tasa de bits no especificada (UBR) que no ofrece garantías, se puede usar cualquier ancho de banda restante.

ATM puede trabajar con la configuración de prioridad realizada en la LAN Ethernet. Sin embargo, ATM, debido a la menor penetración de LAN, no podrá resolver todos los problemas de QoS de LAN. Esto tendrá que hacerse mediante un "protocolo de elección para las LAN": Ethernet.

Ethernet representa más un protocolo oportunista. Ethernet es un protocolo de transmisión sin conexión y es "Mejor esfuerzo: tan pronto como pueda". Ethernet fue diseñado para ser menos complejo y, por lo tanto, menos costoso. Cuando se transmiten datos, Ethernet asigna el máximo ancho de banda posible a esta transferencia hasta que la red se queda sin ancho de banda. En consecuencia, el "tráfico crítico" se trata como cualquier otra transferencia, por lo que prácticamente se ahoga en el mar de datos menos críticos / significativos. Esto significa que funcionará bien con voz y video en el momento en que no haya congestión.

QoS en la empresa

Las redes rara vez están diseñadas para el peor de los casos (sobrecarga máxima), por lo que QoS ayuda a administrar de manera efectiva lo que tenemos a nuestra disposición sin agregar mágicamente ancho de banda.

Las redes empresariales de hoy están experimentando una mayor complejidad y la igualdad de paquetes se convierte en una canción del pasado. A continuación (Tabla 1) definimos diferentes tipos de tráfico, sus requisitos de ancho de banda y la tolerancia de retardo para cada uno de ellos. El puntaje de tolerancia explicará cuán tolerantes son los usuarios con cada servicio cuando las cosas no van tan bien como quisiéramos que fueran

Consulte el PDF para ver el diagrama de Requisitos de rendimiento por tipo de medio.

Nuestra tolerancia a los retrasos dicta qué tipo de factor de tiempo implementar. La tolerancia relativamente alta de los usuarios hacia la demora en servicios como la navegación por Internet, el alojamiento web, la transferencia de datos o el fax permite a los diseñadores de redes permitir el almacenamiento en búfer de transporte de dichos servicios. Las aplicaciones en tiempo real requieren establecer puntos de referencia para el servicio.

Figura 3: Posibles cuellos de botella en la implementación de VoIP

Claramente, los requisitos de ancho de banda mencionados anteriormente no producen ningún contratiempo dentro de la operación de una pequeña empresa. Fast Ethernet de 100 Mbps puede admitir estos servicios, pero ¿qué sucede en organizaciones más grandes? ¿Qué ocurre de un extremo a otro, cuando los datos van “fuera” de la LAN empresarial? Una vez más, uno de los problemas técnicos clave con QoS es que debe ser compatible de extremo a extremo para que sea eficaz (consulte la Figura 2). La telefonía IP y las videoconferencias, a diferencia de la navegación básica por Internet, deben tener una tasa de transferencia mínima garantizada para que puedan funcionar correctamente.

Una conexión LAN de 100 Mbps no puede garantizar una conexión de voz con otra LAN a través de una conexión WAN de 128 Kbps. Debido a la naturaleza y los requisitos de esta comunicación, la conexión debe ser continua y no hay espacio para el almacenamiento en búfer de voz.

Entonces, en tiempos de congestión, ¿qué se puede hacer para garantizar que esas piezas críticas fluyan y que el retraso sea mínimo?

Primero debe definir qué tipo de tráfico causa el cuello de botella y dónde se encuentra. Esto puede identificar muy bien una de las siguientes causas de congestión:

Uso pico. Los usuarios están enviando demasiados paquetes a través de la red. Una mirada más cercana a los patrones de tráfico grandes a veces puede identificar rápidamente la causa si se considera innecesaria. El tráfico necesario también puede causar congestión porque la red existente no puede proporcionar suficiente capacidad de conmutación y enrutamiento. Segmentar la red puede ayudar.

Si su red aún está congestionada y no puede ofrecerle más ancho de banda, puede aplicar el conjunto de las siguientes herramientas:

  • Priorizar usuarios
  • Priorizar segmentos
  • Priorizar aplicaciones
  • Reservar / limitar el ancho de banda para ciertos usuarios
  • Reserve / limite el ancho de banda para ciertas aplicaciones
  • Seleccione las aplicaciones que se pueden detener

Habiendo definido quién y qué tiene prioridad, los administradores de red tienen un conjunto de herramientas para implementar estas reglas. Por ejemplo, pueden dar prioridad a ciertos usuarios en función de su dirección IP (dirección de origen). O pueden priorizar por segmento a través de la máscara de subred o la dirección de destino. Dar prioridad a la aplicación significa que todos los servicios de voz sobre IP tienen una prioridad más alta que, digamos, el correo electrónico.

Los dispositivos leen las instrucciones sobre la asignación de prioridad o ancho de banda y los paquetes de cola en los siguientes cuatro tipos de colas:

  • Cola de prioridad de la cola de alta prioridad a la de baja prioridad. Los paquetes se envían primero desde las colas de mayor prioridad (como se explica en IEEE 802.1P).
  • Cola justa ponderada. Permite servicios de ancho de banda garantizados, pero sobre el mismo enlace compartido.
  • La cola basada en clases divide el tráfico de usuarios en clases. Estas clases se asignan en función de las direcciones IP, los protocolos y los tipos de aplicaciones.

 

Figura 4: IEEE® 802.1P

Priorización de QoS IEEE® 802.1P en LAN

El IEEE 802.1P es una técnica de señalización para priorizar el tráfico de red en la subcapa de enlace de datos / MAC (Modelo de referencia OSI Capa 2). El encabezado 802.1P incluye un campo de tres bits para la priorización, que permite que los paquetes se agrupen en varias clases de tráfico. Los conmutadores compatibles con IEEE 802.1P recogen esta etiqueta (el paquete contiene un encabezado de etiqueta de 32 bits ubicado después de un encabezado de dirección de origen y destino), lo leen y colocan el paquete en la cola de prioridad correspondiente. Esta técnica no reserva ni solicita ancho de banda.

Hay ocho niveles (0-7) de prioridad y, en consecuencia, ocho colas que podrían crearse (ver Figura 4). El nivel siete representa la máxima prioridad. Esto se asignará para aplicaciones de misión crítica. Los niveles 6 y 5 están diseñados para aplicaciones sensibles al retraso, como video interactivo y voz. Los niveles cuatro e inferiores son adecuados para la transferencia de datos empresariales regulares, así como para la transmisión de video. El nivel cero se asigna para un tráfico que puede tolerar todos los inconvenientes de un protocolo de mejor esfuerzo.

El conmutador analizará el paquete basándose en la etiqueta "P" y lo colocará en la cola de prioridad adecuada para su envío. El usuario puede tener hasta ocho colas de prioridad. Se emplea un algoritmo ajustable para elegir cuántos paquetes se envían desde cada cola antes de que se envíen los paquetes de la cola de menor prioridad.

Figura 5: Algoritmo ajustable para la puesta en cola de paquetes

Transition Networks Management Aggregation Converter (MAC) es un convertidor que permite administrar el extremo remoto de la red. Una de las muchas características del MAC incluye la compatibilidad con paquetes 802.1P. El MAC lee la etiqueta 802.1P y coloca los paquetes entrantes en una cola de alta prioridad o en una cola de baja prioridad. El administrador de red define el umbral de nivel de prioridad (0-7) que determina si un paquete se coloca en la cola de alta prioridad o en la cola de prioridad baja. cola de baja prioridad. . Por ejemplo, si el umbral se establece en 4, una etiqueta "P" de 5 se reenviará a la cola de alta prioridad, mientras que un paquete con una etiqueta de "3" se colocará en la cola de baja prioridad. El convertidor MAC también implementa un algoritmo ajustable por el usuario para la selección de la cola de paquetes. Como se muestra en la Figura 5, se enviarán 15 paquetes de la cola de alta prioridad y luego se enviará un paquete de la cola de baja prioridad antes de que el convertidor MAC vuelva a la cola de alta prioridad.

Figura 6: Configuración de la prioridad del puerto

El usuario también puede establecer una prioridad alta en un puerto específico (para teléfonos IP, etc.) y esto colocará automáticamente todos los paquetes en este puerto en una cola de alta prioridad. (ver Figura 6) Además de la cola, los convertidores MAC también permitirán a los usuarios habilitar / deshabilitar la pausa en aplicaciones de mayor prioridad para que el tráfico en tiempo real (voz) no se pause en tiempos de congestión. (ver figura 7)

Toda la gestión del convertidor se puede realizar mediante un software de interfaz gráfica de usuario (GUI) totalmente compatible con SNMP: Focal Point ™ o también se puede gestionar a través de la gestión basada en web utilizando cualquier navegador web. QoS 802.1P es una herramienta eficaz para la priorización dentro de una LAN. La QoS también puede ir acompañada de precedencia IP o Servicios diferenciados - Mecanismos de QoS de capa 3 para lograr la priorización entre LAN.

Prioridad de IP

El protocolo IP incluye el Tipo de servicio (ToS), un campo de 8 bits, diseñado para usarse en la priorización de paquetes. Asigna tres de los bits ToS para crear hasta 8 niveles de prioridad y tres bits para describir la sensibilidad del retardo, así como la pérdida de paquetes. El convertidor MAC de Transition Networks es transparente para estos paquetes.

Figura 7: Pausa IEEE® 802.1P

Servicios diferenciados

Otro método muy popular de QoS en la empresa son los servicios diferenciados. Es un método eficaz para gestionar el tráfico en función de su clase. Los servicios diferenciados (Diffserv) priorizan ciertos tipos de tráfico, como el tráfico de voz, sobre otros tipos de comunicaciones. Funciona categorizando los paquetes IP en clases. Los seis bits en el byte de tipo de servicio contenidos en el encabezado IP de cada paquete, especifican un tipo de comportamiento particular que determina el esquema y la prioridad de reenvío de paquetes.

Los servicios diferenciados pueden ofrecer lo siguiente:

  • Reenvío acelerado (EF), que define el retardo y la fluctuación mínimos. Modo preferido para VoIP.
  • Reenvío asegurado (AF), que introduce tres tasas de caída de paquetes seleccionables. Durante la congestión, los paquetes con una alta precedencia de descarte se descartan. De este modo, se permite el paso del tráfico más importante marcado con menor precedencia de caída.
  • El mejor esfuerzo recoge lo que queda del ancho de banda no asignado a EF y AF.

DiffServ se puede utilizar como un mecanismo de QoS en redes empresariales. Es escalable. Casi todos los productos de enrutadores nuevos, así como los productos finales, como los teléfonos VoIP, son compatibles con DiffServ y pueden etiquetar los paquetes con el tipo de comportamiento por salto adecuado. El marcado de servicios diferenciados en el borde se lee y comprende en el núcleo y los paquetes se reenvían según los esquemas de prioridad mencionados anteriormente. Mac Converter de Transition Networks transmite estos paquetes de forma transparente.

Dichos servicios de QoS no forman parte de ninguna negociación o señalización entre los propios dispositivos. Estas reglas son asignadas por administradores de redes locales que comprenden las razones de congestión mencionadas anteriormente y ajustan las prioridades para los usuarios, aplicaciones o servicios en consecuencia. Estas etiquetas asignadas se pasan en el paquete y NO están sujetas a cambios durante el proceso de negociación automática u otras formas de señalización. Este enfoque se denomina SOFT QoS. 802.1P, IP Precedence y DiffServ son ejemplos de técnicas suaves de QoS.

QoS dura

Hard QoS describe el proceso durante el cual los dispositivos en la red a través de la señalización pueden negociar, solicitar y ajustar niveles de prioridad para diferentes tipos de tráfico en base a los valores previamente acordados. Hard QoS incluye protocolos como Servicios integrados / Protocolo de reserva de recursos.

Figura 8: RSVP

RSVP permite que los dispositivos de red, como enrutadores o conmutadores, soliciten el ancho de banda necesario / garantizado de otros dispositivos en la red para un tipo de tráfico en particular (por ejemplo, VoIP). Las variaciones de retardo deseadas también se pueden definir en este enfoque. El RSVP envía una solicitud para reservar un ancho de banda específico o capacidad de conmutación / reenvío de otros dispositivos en la red. Este requisito enviado a través de la red se denomina especificación de flujo. Los requisitos pueden resultar en tres tipos de transferencia deseados:

  1. Mejor esfuerzo tradicional
  2. Sensible a la velocidad: VoIP requiere un ancho de banda establecido de servicio de velocidad de bits garantizada para aplicaciones de transmisión de video.
  3. Sensible al retardo: VoIP requiere que se defina un retardo máximo y no se permite exceder este máximo.

Resumen

El tráfico de voz, audio y video ejerce una presión cada vez mayor sobre las redes LAN y WAN. Los usuarios están acostumbrados a la alta confiabilidad y alta calidad de las tecnologías estándar de voz y video. Aunque el medio de transporte está cambiando, nuestras expectativas siguen siendo las mismas. VoIP no será tan afortunado como la tecnología móvil donde los usuarios sacrifican la alta calidad por la conveniencia de tener un teléfono en la carretera. Las LAN y sus, en la mayoría de los casos, protocolos oportunistas / de mejor esfuerzo enfrentan un momento difícil para manejar estas altas expectativas y requisitos.

Por otro lado, los proyectos de implementación de teléfonos y video IP se llevarán a cabo a un ritmo acelerado, ya que las empresas ya están comenzando a aprovechar plenamente los ahorros de costos generados por estas tecnologías. Este proceso acelerado no irá acompañado de un crecimiento adecuado de la capacidad de la red. QoS es una alternativa atractiva para agregar ancho de banda sin rumbo fijo a la red.

Cuando los datos de voz pasan a formar parte de una red, se debe dar prioridad a los paquetes de voz para "cumplir" con la alta calidad esperada de las llamadas de voz. ATM, ha diseñado la capacidad para una QoS exitosa, sin embargo, dado que Ethernet se ejecuta en 85% de LAN, la QoS también debe ejecutarse de manera eficiente en esta plataforma. 802.1P, Precedencia IP y DiffServ (técnicas de QoS suave) ayudan a los administradores a priorizar diferentes tipos de tráfico sin reservas de recursos. RSVP una técnica de Hard QoS ayudará a reservar un nivel requerido de capacidad para respaldar el esfuerzo de QoS. Ninguna de estas técnicas es a prueba de fallas. La QoS debe planificarse de principio a fin para que los cuellos de botella se identifiquen y eliminen.

Por último, QoS no hará magia y no aliviará la responsabilidad de los administradores de red de planificar y asignar recursos en consecuencia. Pero los diversos elementos que componen QoS pueden ofrecer herramientas poderosas para permitir que los administradores de red mejoren el rendimiento de la red.

He utilizado los productos de Transition Networks en las instalaciones de mis clientes durante años. Siempre he encontrado que sus productos, servicio al cliente, ventas y soporte técnico son de primera categoría. Ni siquiera consideraría usar otra marca.

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