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Calidad de Servicio (QoS) - Coggle Diagram
Calidad de Servicio (QoS)
Algoritmo de formación de colas
La política de la QoS implementada por el administrador de la red se activa cuando se produce una congestión en el enlace. La puesta en cola es una herramienta administrativa para la congestión que puede almacenar en búfer, priorizar, y, si corresponde, reordenar los paquetes antes de que estos se transmitan al destino.
Mecanismo de cola equitativo ponderado (WFQ)
Método de programación automatizado que proporciona una asignación justa de ancho de banda a todo el tráfico de red. WFQ no permite configurar las opciones de clasificación. WQF aplica prioridades o ponderaciones para identificar el tráfico y clasificarlo en conversaciones o flujos
El WFQ luego determina la cantidad de ancho de banda que se le permite a cada flujo en relación con otros flujos. El algoritmo basado en el flujo utilizado por la WFQ planifica simultáneamente el tráfico interactivo al frente de una cola para reducir el tiempo de respuesta. Luego, comparte equitativamente el ancho de banda restante entre flujos de ancho de banda altos. El WFQ le permite dar prioridad al tráfico de bajo volumen e interactivo, como las sesiones Telnet y de voz, sobre el tráfico de gran volumen, como las sesiones de FTP. Cuando se producen simultáneamente los flujos de las transferencias de archivo múltiples, se asigna un ancho de banda similar a las transferencias.
La WFQ clasifica el tráfico en distintos flujos basados en el encabezado de manejo de paquetes, lo que incluye características como las direcciones IP de origen y de destino, las direcciones MAC, los números de puerto, el protocolo y el valor del tipo de servicio (ToS). El valor ToS en el encabezado IP puede utilizarse para clasificar el tráfico.
Limitaciones
La WFQ no se utiliza con los túneles y el cifrado porque estas funciones modifican la información de contenido de paquete requerida por la WFQ para la clasificación.
Aunque WFQ se adapta automáticamente a las condiciones cambiantes del tráfico de red, no ofrece el grado de control preciso sobre la asignación de ancho de banda que ofrece CBWFQ.
Mecanismo de cola de espera equitativo y ponderado basado en clases (CBWFQ)
La ponderación equitativa ponderada basada en clases (CBWFQ) amplía la funcionalidad estándar WFQ para proporcionar soporte para las clases de tráfico definidas por el usuario. Con CBWFQ, usted define clases de tráfico basadas en criterios de coincidencia que incluyen protocolos, listas de control de acceso (ACL) e interfaces de entrada. Los paquetes que cumplen los criterios de coincidencia para una clase constituyen el tráfico para esa clase. Se reserva una cola FIFO para cada clase y el tráfico de cada clase se dirige a la cola de dicha clase
Cuando se ha definido una clase según sus criterios de coincidencia, puede asignarle características. Para cuantificar una clase, le asigna el ancho de banda, el peso, y el límite de paquete máximo. El ancho de banda asignado a una clase es el ancho de banda garantizado que se entrega a la clase durante la congestión.
Para caracterizar una clase, también especifica el límite de cola para esa clase, que es la cantidad máxima de paquetes que se pueden acumular en la cola de esa clase. Los paquetes que pertenecen a una clase están sujetos al ancho de banda y a los límites de cola que caracterizan a la clase.
Primero en entrar, primero en salir (FIFO)
Almacenamientos intermedios y paquetes de reenvío en el orden de llegada.
FIFO no tiene concepto de prioridad ni clases de tráfico, por lo que no toma decisiones sobre la prioridad de los paquetes. Hay una sola cola, y todos los paquetes se tratan por igual. Los paquetes se envían a la interfaz en el orden en que llegaron. Aunque parte del tráfico puede ser más importante o sensible al tiempo según la clasificación de prioridad, tenga en cuenta que el tráfico se envía en el orden en que se recibe.
Cuando se utiliza FIFO, el tráfico importante o sensible al tiempo se puede descartar cuando hay congestión en la interfaz del enrutador o conmutador. Cuando no se configuran otras estrategias de colas, todas las interfaces, excepto las interfaces seriales en E1 (2.048 Mbps) e inferiores, usan FIFO de manera predeterminada.
método más rápido de espera, es eficaz para enlaces grandes que tienen poco retraso y congestión mínima. Si su enlace tiene una congestión muy pequeña, la cola FIFO puede ser la única cola que necesite usar.
Mecanismo de cola de baja latencia (LLQ)
La función de cola de baja latencia (LLQ) trae cola de prioridad estricta (PQ) a CBWFQ. La estricta PQ permite que los paquetes sensibles al retraso, como la voz, se envíen antes que los paquetes en otras colas. LLQ proporciona una puesta en cola de prioridad estricta para CBWFQ, lo que reduce las fluctuaciones en las conversaciones de voz, como se muestra en la figura.
Sin la LLQ, CBWFQ proporciona el WFQ según las clases definidas sin una cola de prioridad estricta disponible para el tráfico en tiempo real. El peso para un paquete que pertenece a una clase específica se deriva del ancho de banda que le asignó a la clase al configurarla. Por lo tanto, el ancho de banda asignado a los paquetes de una clase determina el orden en que se envían los paquetes. Se realiza el servicio de todos los paquetes en base suficiente al peso; ninguna clase de paquetes puede otorgar la prioridad estricta. Este esquema presenta problemas para el tráfico de voz, que en gran medida no admite retrasos, especialmente variaciones en el retraso. Para el tráfico de voz, las variaciones en la demora introducen irregularidades en la transmisión que se manifiestan como fluctuaciones en la conversación escuchada.
LLQ permite que los paquetes sensibles al retraso, como la voz, se envíen primero (antes que los paquetes en otras colas), dando a los paquetes sensibles al retraso un tratamiento preferencial sobre otro tráfico. Aunque es posible clasificar varios tipos de tráfico en tiempo real a la cola de prioridad estricta, Cisco recomienda que solo el tráfico de voz se dirija a la cola de prioridad.
Modelos de QoS
Servicios minimos
El diseño básico de Internet es la entrega de paquetes de mejor esfuerzo y no ofrece garantías. Este enfoque sigue siendo predominante en Internet hoy y sigue siendo apropiado para la mayoría de los propósitos. El modelo de mejor esfuerzo trata todos los paquetes de red de la misma manera, por lo que un mensaje de voz de emergencia se trata de la misma manera que se trata una fotografía digital adjunta a un correo electrónico. Sin QoS, la red no puede conocer la diferencia entre paquetes y, como resultado, no puede tratar a los paquetes de manera preferencial.
El modelo de mejor esfuerzo es un concepto similar al de enviar una carta por correo postal estándar. Su carta se trata exactamente de la misma manera que las otras cartas. Con el modelo de mejor esfuerzo, la carta podría no llegar y, a menos que haya llegado a un acuerdo de notificación con el destinatario de la carta, tal vez nunca se entere de que la carta no llegó.
Servicio diferenciados
El modelo de QoS de servicios diferenciados (DiffServ) especifica un mecanismo simple y escalable para clasificar y gestionar el tráfico de red. Por ejemplo, DiffServ puede proporcionar un servicio garantizado de baja latencia para el tráfico de red crítico, como voz o video, al tiempo que ofrece garantías de tráfico de mejor esfuerzo para servicios no críticos como el tráfico web o las transferencias de archivos.
El diseño de DiffServ supera las limitaciones de los modelos de mejor esfuerzo e IntServ. El modelo DiffServ se describe en RFC 2474, 2597, 2598, 3246, 4594. DiffServ puede proporcionar una Calidad de Servicio "casi garantizada" sin perder rentabilidad ni escalabilidad.
El modelo DiffServ es un concepto similar al de enviar un paquete mediante un servicio de entrega. Usted solicita (y paga) un nivel de servicio cuando envía un paquete. En la red de paquetes, se reconoce el nivel de servicio por el que usted pagó y se le brinda a su paquete servicio normal o preferencial, según lo que usted solicitó.
DiffServ no es una estrategia de la QoS de extremo a extremo porque no puede otorgar garantías de extremo a extremo. Sin embargo, el modelo DiffServ es un enfoque más escalable para implementar QoS. A diferencia de IntServ y QoS duro, en el que los hosts finales señalan sus necesidades de QoS a la red, DiffServ no utiliza señalización. En su lugar, DiffServ usa un enfoque de “soft QoS” (QoS suave). Funciona en el modelo que proporciona QoS, donde los elementos de red se configuran para mantener varias clases de tráfico cada uno con requisitos de la QoS diferentes.
Servicio integrados
.IntServ ofrece la QoS de extremo a extremo que necesita las aplicaciones en tiempo real. IntServ administra explícitamente los recursos de red para proporcionar QoS a flujos o flujos individuales, a veces denominados microflujos. Utiliza reserva de recursos y mecanismos de control de admisión como módulos de construcción para establecer y mantener QoS. Esto es similar a un concepto conocido como "QoS dura". Hard QoS garantiza las características de tráfico, como el ancho de banda, la demora y las velocidades de pérdida de paquetes, de extremo a extremo. Hard QoS asegura niveles de servicios predecibles y garantizados para las aplicaciones críticas.
El modelo de arquitectura IntServ (RFC 1633, 2211 y 2212) se desarrolló en 1994 para satisfacer las necesidades de aplicaciones en tiempo real, como video remoto, conferencias multimedia, aplicaciones de visualización de datos y realidad virtual. IntServ es un modelo de servicios múltiples que puede acomodar muchos requisitos de QoS
Técnicas de implementación de QoS
Evitar la pérdida de paquetes
Aumenta la capacidad de enlace para facilitar o evitar la congestión.
Garantiza el suficiente ancho de banda y aumenta el espacio en búfer para acomodar las ráfagas de tráfico de flujos frágiles. WFQ, CBWFQ y LLQ pueden garantizar ancho de banda y proporcionar reenvío priorizado a aplicaciones sensibles a caídas.
Los paquetes de baja prioridad de descartan antes de que se presente la congestión. Cisco IOS QoS proporciona mecanismos de colas, como la detección temprana aleatoria ponderada (WRED), que comienzan a descartar paquetes de menor prioridad antes de que ocurra la congestión.
Herramientas de QoS
Herramientas de clasificación y marcación
Las sesiones, o flujos se analizan para determinar que clase de trafico a los que pertenecen. Cuando se determina la clase de trafico, se marcan los paquetes
Herramientas para evitar la congestión
Las clases de trafico son porciones asignadas de recursos de red, como definido por la directiva QoS. La política de QoS también identifica como parte del trafico puede ser selectivamente caído, retrasado o remarcado para evitar la congestion. La herramienta principal de prevención de congestion es WRED y se utiliza para regular el trafico de datos TCP de manera eficiente con el ancho de banda antes se producen caídas de colas causadas por desbordamientos de cola
Herramientas de administración de congestión
Cuando el trafico excede los recursos de red disponibles, el trafico se pone en cola esperar la disponibilidad de recursos, las herramientas comunes de administración de congestion basadas en Cisco IOS incluyen CBWFQ y algoritmo LLQ
Clasificación y marcación
La clasificación determina la clase de tráfico al cual los paquetes o tramas pertenecen. Solo pueden aplicarse las políticas al tráfico después del marcado.
La marcación significa que estamos agregando un valor al encabezado de paquetes. Los dispositivos que reciben el paquete se basan en este campo para ver si coincide con una política definida. La marcación debe realizarse tan cerca de la fuente como sea posible. Esto determina el límite de confianza.
Marcación en la capa 2
802.1Q es el estándar IEEE que admite etiquetado VLAN en la capa 2 de las redes Ethernet. Cuando se implementa 802.1Q, se agregan dos campos a la trama de Ethernet.
Prioridad de tráfico: Uso de bits de prioridad en las tramas Ethernet.
Marcación en la capa 3
IPv4 e IPv6 especifican un campo de 8 bits en sus encabezados de paquetes para marcar los paquetes, tanto IPv4 como IPv6 admiten un campo de 8 bits para marcar: el campo Tipo de servicio (ToS) para IPv4 y el campo Clase de tráfico para IPv6.
Tipo de servicios y campos de clase de trafico
En RFC 791, el estándar original de IP especificaba el campo de preferencia de IP (IPP) que se utilizará para las marcaciones de la QoS
RFC 2474 reemplaza RFC 791 y redefine el campo de ToS al cambiar el nombre y ampliar el campo de IPP. El nuevo campo, como se muestra en la figura, tiene 6 bits asignados para QoS. Conocido como campo de punto de código de servicios diferenciados (DSCP), estos seis bits ofrecen un máximo de 64 clases de servicio posibles. Los dos bits restantes de notificación de congestión extendida (ECN) de IP pueden usarse en los routers con reconocimiento de ECN para marcar paquetes en vez de descartarlos. La marcación de ECN informa a los routers corriente abajo que hay congestión en el flujo de paquetes.
Valores DSCP
Best-Effort (BE) - este es el valor predeterminado para todos los paquetes IP. El valor de DSCP es 0. El comportamiento por salto es enrutamiento normal. Cuando un router experimenta congestión, estos paquetes se descartan. No se implementa plan de la QoS.
Reenvío acelerado (EF) - RFC 3246 defines EF as the DSCP decimal value 46 (binary 101110). Los primeros 3 bits (101) se asocian directamente al valor 5 de CoS de capa 2 que se utiliza para el tráfico de voz. En la capa 3, Cisco recomienda que EF solo se use para marcar paquetes de voz.
Reenvío asegurado (AF) - RFC 2597 define el AF para usar los 5 bits DSCP más significativos para indicar las colas y la preferencia de descarte. La definición de AF se ilustra en la figura.
Bits selectores de clase
Como los primeros 3 bits más significativos del campo DSCP indican la clase, estos bits también se denominan bits de selector de clase (CS). Estos 3 bits se asignan directamente a los 3 bits del campo CoS y el campo IPP para mantener la compatibilidad con 802.1p y RFC 791
Limites de confianza
Los terminales confiables tienen las capacidades y la inteligencia para marcar el tráfico de aplicaciones con las CoS de capa 2 apropiadas y/o los valores de DSCP de la Capa 3. Algunos ejemplos de terminales de confianza incluyen teléfonos IP, puntos de acceso inalámbrico, gateways y sistemas de videoconferencia, estaciones de conferencia IP y más.
Los terminales seguros pueden hacer que el tráfico se marque en el switch de la capa 2.
El tráfico también puede marcarse en los switches/routers de la capa 3.
Prevención de congestión
Mecanismos de prevención de congestión
Algunas técnicas de prevención de congestionamiento proporcionan un trato preferencial para determinar qué paquetes se descartan. Por ejemplo, QoS de IOS de Cisco incluye detección temprana aleatoria ponderada (WRED) como posible solución de prevención de congestión. El algoritmo WRED permite evitar la congestión en las interfaces de red al brindar administración del búfer y permitir que el tráfico TCP disminuya antes de que se agoten los buffers. El uso de WRED ayuda a evitar las eliminaciones de cola y maximiza el uso de la red y el rendimiento de las aplicaciones basadas en TCP. No se evita la congestión para el tráfico basado en el protocolo de datagrama de usuario (UDP), como el tráfico de voz. En el caso del tráfico basado en UDP, los métodos como la puesta en cola y las técnicas de compresión ayudan a reducir, e incluso a prevenir, la pérdida de paquetes UDP.
La gestión de la congestión incluye métodos de colas y programación en los que el tráfico excesivo se almacena o se pone en cola (y a veces se cae) mientras espera que se envíe una interfaz de salida. Las herramientas para evitar la congestión son más simples. Las cargas de tráfico de la red, en un esfuerzo por anticipar y evitar la congestión en los cuellos de botella de la red común y de internetwork antes de que la congestión se convierta en un problema. Estas herramientas pueden supervisar la profundidad promedio de la cola, como se detalla en la figura. Cuando la cola está por debajo del umbral mínimo, no hay descartes. A medida que la cola alcanza el umbral máximo, se descarta un pequeño porcentaje de paquetes. Cuando se supera el umbral máximo, se descartan todos los paquetes.
Modelado y regulación
El modelado del tráfico conserva los paquetes en exceso en una cola y luego programa el exceso para la transmisión posterior en incrementos de tiempo. El resultado de la conformación del tráfico es una tasa de salida de paquetes suavizada, como se muestra en la figura.
Pautas de directivas de QoS
La directiva QoS debe tener en cuenta la ruta completa desde el origen hasta el destino. Si un dispositivo de la ruta de acceso está utilizando una directiva diferente a la deseada, entonces toda la directiva de QoS se ve afectada. Por ejemplo, el tartamudeo en la reproducción de vídeo podría ser el resultado de un conmutador en la ruta que no tiene el valor CoS establecido adecuadamente.
Asignación de CoS a los selectores de clase en DSCP
CoS - 3 bits
DSCP - 6 bits