PDF de programación - Práctica: calidad de servicio (COS y QOS)

PRÁCTICA: CALIDAD DE SERVICIO (CoS y QoS)

Autor: Santiago Felici

1.- Objetivo
El objetivo de la presente práctica es configurar calidad de servicio en la maqueta de red que se muestra en la figura
del final, utilizando información tanto de capa 3-4 como de capa 2. Para ello, inicialmente configuraremos en los
routers la calidad de servicio o Quality of Service (QoS) utilizando información de capa 3-4 (dirección IP, puerto,
protocolo, …), aplicada a los enlaces de menor velocidad, enlaces WAN. De forma complementaria a la QoS,
configuraremos la calidad de servicio a nivel local en la LAN, en los propios conmutadores, método que se conoce
como Class of Service (CoS).
2.- Introducción
El mecanismo de calidad de servicio se refiere a la habilidad en la red de ofrecer prioridad a unos determinados tipos
de tráfico, independientemente de la tecnología de red utilizada. Es por ello, que normalmente se aplica en capa 3-4.
Estos mecanismos son inherentemente necesarios a la red cuando esta ofrece servicios de tiempo real: voz IP,
videoconferencia por Internet, video streaming, radio por Internet, etc. Por ejemplo en el caso de voz IP (VOIP), se
necesita una pérdida de paquetes inferior al 1% y un retraso extremo a extremo de 150 msec, prestaciones que no
podemos obtener de forma nativa de TCP/IP (Internet), dado que su funcionamiento es Best Effort.

Sería muy fácil dar calidad de servicio si las redes nunca se congestionaran, pero para ello habría que
sobredimensionar todos los enlaces, cosa no siempre posible. Por tanto, para dar calidad de servicio en gran escala y
en redes con posibilidades de congestión, es preciso tener mecanismos que permitan dar al tráfico un trato
diferenciado acorde con el SLA (Service Level Agreement). De todas formas, aunque el estado de congestión pueda
ser una decisión de compromiso entre sobredimensionamiento y saturación, una situación permanente de congestión
es inabordable y su única solución es el sobredimensionamiento. Es decir, los mecanismos de calidad de servicio son
inútiles en una red saturada permanentemente como podemos ver en la figura 1.



Figura 1: Evolución del rendimiento de una red en función de la carga o tráfico ofrecido


En general, todos estos conceptos quedan encajados dentro de lo que llamamos “ingeniería de tráfico”, que
pretender analizar el tráfico para ofrecer servicios mejores y más predecibles, mediante: soporte de ancho de banda
dedicado, mejorando las características de pérdida de paquetes, evitando y manejando la congestión de la red,
organizando y priorizando el tráfico.

Los parámetros que definen la calidad de un servicio son 4 parámetros: ancho de banda, retraso temporal, variación
de retraso (o jitter) y probabilidad de error (o pérdida de paquetes o fiabilidad). Para poder gestionar estos
parámetros de forma eficiente debemos hacer uso de la prioridad y gestión del tráfico por medio de colas. Varias
alternativas han existido para abordar este problemática, los llamados servicios integrados (que definen circuitos
por flujos establecidos utilzando para su reserva RSVP (Resource Reservation Protocol)) y servicios diferenciados
(basados en el marcado y clasificación). De estos métodos, el más extendido por su escalabilidad y flexibidilidad son
los servicios diferenciados o Differentiated Services (DS) dado que trabaja en base a la clasificacion y su posterior



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marcado del paquete y no a la reserva para los diferentes flujos establecidos, lo cual arrastra problemas de
escalabilidad.

En los servicios diferenciados por tanto, vamos a distinguir dos tipo de routers tal como observamos en la figura 2.
Los routers frontera que hacen clasificación y marcado del tráfico y los routers internos que se encargan de evitar la
congestión.


Figura 2: servicios diferenciados, basado en routers frontera y routers internos.


Para realizar el marcado de los paquetes se pueden utilizar varias técnicas, pero la más extendida y estandarizada es
utilizar los DSCP (Differentiated Service Code Point) con la asignación de valores tal como aparece en la figura 3.
Este marcado se puede extender a IPv6, MPLS, …



Donde los servicios definidos para cada DSCP corresponden con las siguientes características:


Figura 3: valores estandarizados para DSCP

Servicio
‘Expedited Forwarding’ o ‘Premium’ Es el que da más garantías. Equivale a una línea dedicada

Características



‘Assured Forwarding’

Garantiza Caudal, tasa de pérdidas, retardo y jitter.
Valor 101110 en DSCP
Asegura un trato preferente, pero sin fijar garantías (no hay
SLA). Se definen cuatro clases y en cada una tres niveles de
descarte de paquetes según la precedencia.

‘Best Effort’ con prioridad

‘Best Effort’ sin prioridad

Sin garantías, pero obtendrá trato preferente frente a ‘best
effort sin prioridad’
Ninguna garantía



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Como hemos dicho, los métodos de marcado son muy diversos. En capa 2, el marcado se realiza en base a una
extensión del 802.1Q tal como podemos ver en la figura 4. El marcado en capa 2 permite asegurar con mayor
garantía la calidad de servicio, dado que se produce muy próximo al origen.


Figura 4: marcado en capa 2 utilizando 802.1Q, con 3 bits para prioridad en las tramas


En la capa 3, el marcado DSCP se realiza en base al RFC 2474 y utiliza un campo de la cabecera IP para definir la
prioridad y/o tipo de servicio tal como se muestra en la figura 3. En este caso el marcado utiliza 6 bits, siendo los 3
primeros bits utilizados para marcar la prioridad y los siguientes para definir estrategias de descarte. Por ejemplo, en
la figura 3 los paquetes marcados con EF tienen prioridad 101 (5 en decimal), pero en este caso el resto de bits no se
interpretan como descarte, si no que son configurables por el usuario.

Visto los mecanismos de marcado y clasificación, otro elemento clave es el proceso de priorización y gestión de
colas. Las colas son gestionadas en los interfaces de salida tal como se observa en la figura 5, donde podemos ver
diferentes disciplinas de servicio que a continuación vamos a detallar.



Figura 5: gestión de colas según su clasificación (DSCP) en la interfaz de salida


En la figura 5, aparecen diferentes colas con diferentes tipo de servicio, asignando a cada cola el tráfico según su
marcado. Para el caso particular de los routers de Cisco Systems, las colas de los interfaces de salida con velocidad
superior a un T1/E1 utilizan disciplina FIFO (First In First Out) que se caracteriza por su rapidez ya que realmente
no hace nada, dado que los paquetes a medida que llegan, van saliendo. Si la velocidad de salida es inferior a un
T1/E1, entonces utiliza WFQ (Weigthed Fair Queueing), que consiste en gestionar los diferentes flujos o sesiones
en colas independientes, buscando un reparto equitativo o justo (fair), priorizando aquellas de menor volumen, las
cuales asocia como más sensibles al retardo como VOIP y Telnet, y penalizando aquellas sesiones más grandes,
dado que no las asocia con aplicaciones de tiempo real, como FTP. WFQ reserva para cada sesión, espacio hasta 64
paquetes y si se excede se descartan y sólo se vuelven a aceptar en el caso que la ocupación descienda al 25%. WFQ
se considera una disciplina adaptativa al estado de la red y las características del tráfico. WFQ no es escalable y por



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tanto no funciona bien en routers backbone. Una versión de WFQ que sí es escalable es CB-WFQ (Class Based
WFQ) que consiste en atender por clases según el marcado y en cada clase utilizando WFQ, que es el mecanismo
central de la figura 5.

Existen otras disciplinas de servicio objetivamente menos flexibles y adaptativas que WFQ que permiten especificar
con mayor rigor el reparto del ancho de banda, de forma manual, utilizando dos criterios, con prioridades o con
reparto Round Robin :
• PQ (Priority Queueing) que se caracteriza por definir 4 tipos de colas con prioridad high, medium, normal y
low, de forma que mientras queden paquetes en la cola high no se atienden los paquetes de medium y así
sucesivamente. En ocasiones esta configuración puede crear inanición, debido a que el tráfico de VOIP
clasificado como PQ high puede llegar a consumir todo el ancho de banda disponible. Además, cabe resaltar
que su disciplina es estática y no se adapta a los cambios en la red. Los tamaños respectivamente de las
diferentes colas por defecto son 20, 40, 60 y 80 paquetes respectivamente y la cola por defecto para tráfico no
clasificado (o marcado) es nivel normal. El modo de configuración en los routers de Cisco es priority-list,
haciendo clasificación en base al protocolo (y puertos, ej priority-list 41 protocol ip medium TCP 23) o a la
interfaz de entrada (ej, priority-list 4 interface fa0/0 high). En la figura 5, esta disciplina de servicio también
recibe el nombre de LLQ (Low Latency Queueing) cuando va acompañada de CB-WFQ y generalmente es
utilizada por los protocolos de tiempo real.


• CQ (Custom Queueing) que se caracteriza por definir hasta 17 colas (la cola 0 está asociada sólo a funciones
del sistema (routing, keepalives,…) y se atiende siempre primero) que se atienden según Round Robin, con
quantos definidos en bytes y que por defecto queda definido en 1500 bytes. La cola por defecto para tráfico no
marcado es la 1. El modo de configuración en los routers de Cisco es queue-list, haciendo clasificación en base
al protocolo (y puertos, ej queue-list 4 protocol ip 1 TCP 232) o a la interfaz de entrada (ej, queue-list 4
interface fa0/0 2). El tamaño de cada una de estas colas es de 20 paquetes, pero se puede modificar.


De forma complementaria a esta práctic