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ago 07 2008

QoS (Qualidade de Serviço) – parte I

Prezados, nosso objetivo neste post é conhecer um pouco sobre o assunto QoS (Qualidade de Serviço). Para facilitar nosso entendimento, contamos com uma pequena série de quatro posts. Este é  post I sobre QoS e daremos os primeiros passos valorizando a teória essencial para a compreensão dessa tecnologia. É provável que este  conteúdo possa ajudar aos  interessados nas carreiras do CCVP/CCIP ou mesmo CCNP.  Desta forma, vamos em frente…

CRONOGRAMA
Parte I
– Fundamentos do QoS
– Componentes do QoS
– Auto-QoS, CLI e MQC

Parte II
– Classificação e marcação
– Métodos de enfileiramento
– Métodos de evitar congestionamentos

1 – Fundamentos do QoS

1.1 –  Introdução ao QoS

– QoS é o acrônimo de Quality of Service, ou seja, Qualidade de Serviço. Trata-se de uma nomenclatura genérica para designar um conjunto de algoritmos capazes de fornecer vários níveis de tratamentos para diferentes tipos de tráfego na rede.  O propósito dessa tecnologia é otimizar o uso da banda passante provendo um tráfego fim-a-fim eficaz e econômico. O QoS resolve a necessidade da aquisição de mais banda para a rede, pois supre a demanda de tráfego das LANs/WANs de forma inteligente e organizacional através dos mais diversos mecanismos que ele dispõe.
– O QoS é muito importante para as redes convergentes, pois as tornam capazes de transportar de maneira bem próximo ao ideal os mais diversos tráfegos, como: vídeo, voz e dados, de modo simultâneo sem que um interfera no outro. Cada um desses tráfegos, merece um tratamento especial conforme suas características. Assim, é necessário que os cuidados especiais sejam obedecidos para que não ocorra possíveis problemas. Que cuidados são esses? Calma, veremos mais na frente.
– O QoS tornou-se indispensável em alguns casos, como por exemplo, ficaria impraticável o tráfego pela WAN de video e voz se não houvesse QoS, concordam? Salvo os casos em que há muita banda para WAN. Entretanto, sabemos que quanto maior for Banda do Circuito mais elevado é o custo desses links. Portanto, podemos citar que a economia de banda seja o benefício principal do QoS.

1.2 – Pontos chaves do QoS

– Os fatores que determinam à qualidade na transmissão são: latência, jitter, perda de pacotes e banda passante. A seguir iremos abordar esses pontos dos quais são tão importantes.
1.2.1 – Latência

– A latência ou delay, é o tempo gasto para iniciar outro procedimento de dados. O delay é subdividido em sensível ou não ao tráfego. O menor delay ocorre no sensível a tráfego. Existe inúmeros tipos de delays, como: serialização, propagação, encaminhamento, entre outros. Eita! Está começando a complicar! E o que diferencia entre eles? Apenas o modo em que ele inicia e que termina. Como exemplo, temos: Forwarding Delay (lantência baseada em encaminhamento) que se refere ao tempo para encaminhar o pacote até o seu destino.
– As taxas de delays variam na casa dos mili segundos. O Delay de maneira geral define os bits do pacote dentro da interface física até a saída. Para entendermos melhor o delay veremos a seguir o jitter.

1.2.2 – Jitter

– Conhecido como: “Variação de Delay”, ou seja é a variação do atraso entre os pacotes consecutivos.
– Quanto menor o Jitter maior sua prioridade, pois os pacotes vão estar nas filas cada vez mais juntos.
– O Jitter influencia bastante, pois reduzindo o delay, tornando uma variação menor possível, o prazo para entrega dos pacotes também reduz.
– O Jitter pode ser suavizado através das técnicas de compressão e das técnicas de delay. Isso será abordado apenas na parte III (aguardem, por favor).
– É importante lembrar que a tolerância de resposta é um fator de determinístico para cada aplicação. Assim, se você utiliza correio eletrônico por exemplo, não terá a mesma importância para a variação da latência do que uma chamada de telefonia IP. Pois em breve iremos perceber que o tráfego de voz é bem sensível a latência.

1.2.3 – Perda de pacote

– Nas técnicas de QoS, pouco se fortificou pela Perda de Pacotes, muitas vez é realmente inevitável a perda de pacote. Entrentanto, abaixo encontram-se os principais mecanismos de controle de perda de pacotes:
– Controle de Bits com Erros: Que varia de protocolo para protocolo, no TCP teríamos um controle de FCS (Frame Check Sequence) minucioso e que garante menores taxas de erros;
– Controle da falta de espaço em uma fila: É outra técnica importante que pode ajudar bastante durante o ajuste incorreto do pacote com jitter.
– A título de VoIP/ToIP, usamos a integridade com o CAC (Call Admission Control) que é a técnica mais adequada para evitar perdas de pacotes. Este assunto será tratado na parte III com mais detalhes.

1.2.4 – Bandwidth

– Refere-se ao número de bits por segundo que pode, inteligentemente, ser expedido para sucesso na entrega.
– Trata-se do “gargalo”, ou seja, a espessura da porta que pode trafegar os dados ou a voz ou o video. É importante usar técnicas de bandwidth para otimizar os processos de entrega dos pacotes. Essas normas usam de enfileiramentos extras para garantir um equilíbrio no percentual de transporte dos dados.
– A titulo de WAN, sabemos que o HDLC e PPP possuem o valor da banda é o próprio valor dela de forma dedicada. Já para circuitos Frame-Relay, temos bandwidth sendo chamada de EIR (Excess Information Rate), ou seja, a taxa máxima que um tráfego pode percorrer. Ainda para Frame-Relay, temos a taxa CIR (Commited Information Rate) que é a banda mínima garantida de envio ao destino. É justamente no CIR que ocorrerá atuação do QoS para os circuitos frame-relay. Em relação aos circuitos MPLS, trata-se como os casos PPP/HDLC de forma transparente para os roteadores do lado cliente.

2. Componentes do QoS

2.1 – Modelos de QoS

– IntServ – Serviços Integrados, usa um conceito baseado em fluxo unido com uma sinalização do protocolo ao longo do caminho que o pacote percorrer. Subdividido em: Serviços Garantidos para fornecer o fim-a-fim e Carga Controlada para carregar e descarregar tráfegos na rede. Vantagens: conceito simples, como exemplo de uso desse serviço temos o CAC (Controle de Admissão de Chamadas) e descreve para o fluxo de QoS , marcando arquitetura chamada. Desvantagens: todos os pontos são implementados pelo RSVP (Protocolo de Reserva de Recursos), é pouco escalável, apresenta periódica atualização de mensagens que são usadas durante o transporte fim-a-fim e todos os elementos da rede obrigam principalmente o estado do câmbio sinalizar as mensagens.
– DiffServ – Serviços Diferenciados, usa a marcação para classificar e tratar cada pacote independentemente. Vantagens: escalável, performance devido à decisão de QoS ser realizado no valor fixo, flexível, como todos os fabricantes usam IPv4 ou IPv6 o DiffServ torna-se inter-operante  e apresenta baixo consumo de CPU para os equipamentos. Desvantagens: sem fim-a-fim de reservação de banda, garantia de serviços pode ser prejudica pela rede, não é capaz de implementar o mecanismo com atuação do RSVP.
– BestEffort – Serviço de Melhor Esforço. Na realidade, não é definido como um tipo de QoS, pois ele trata todos os pacotes como de igual importância. Portanto, nele o pacote que chegar primeiro é o que sairá primeiro. Um exemplo clássico é o tráfego pela Internet, pois não há como propogar diferenciação de pacote por esse meio, salvo no caso de QoS Pré-classificado e tunelado (iremos abordar esse assunto na parte IV).
– MPLS – Multi-layer Protocol Label Switching , normalmente, é implementado somente pelos switches modulares de camada 3 ou roteadores de alto porte. Ele é o protocolo que engloba todas funcionalidades de QoS, incluindo InterServ+DiffServ e integrando de forma inteligência um pré-roteamento, feito pelo LabelSwitching. Recomenda-se que toda comutação seja feita pelos switches chassis de camada 3, pois apresentam um maior vazão de velocidade. O MPLS é bem inteligente e é capaz de utilizar tanto fluxo por camada 2 ou 3, de modo a garantir menor latência possível.  Então, de forma abstrata, ele trata o fim-a-fim das transmissões de maneira bem otimizada. Reforçando: para os roteadores do lado cliente não há necessidade de implantação de MPLS, pois ele atua de forma transparente.

2.2 – Os comportamentos dos Serviços Diferenciados

– Como foi citado, o DiffServ é bem flexível, mas para enterdemos esse modelo mais a fundo, precisamos saber que tudo começa no byte ToS (Type of Service) que fica dentro do cabeçalho do IPv4.
– Como o ToS é um byte, ele é obviamente composto de 8 bits, sendo que apenas 6 bits são utilizados propriamente para formação do DS Field (Campo dos Serviços Diferenciados) e os outros dois bits são tidos como reservados.
– O DS Field é quem define o tal do DSCP que significa DiffServ Code Point. Como ele é composto de 6 bits, temos em decimal então uma permutação de 2 elevado à 6 que é 64 valores possíveis, variando portanto de 0 à 63. Essa faixa de valores é que define literalmente a marcação dos pacotes. De antemão todo pacote BestEffort (BE) ou Melhor Esforço é tratado como DSCP 0 ou em binário 000000.
– O DSCP dispõe de algumas convenções são elas: precendência de IP, classe seletora e marcação convencial em hexadecimal como AFxy e EF por exemplo. O AF significa Assured Forward e o EF significa Expedited Forward. Há uma padronização para a marcação em hexadecimal, portanto ela ou seus valores equivalentes em decimal por exemplo são os mais utilizados quando precisamos marcar os pacotes… Mas é importante citar que o pensamento AFxy não foi atoa, onde o valor X e o Y tem sua importância deterministica, é como pensar em uma matriz 4×3, tratando de forma grosseira. O valor X representa o grau de importância da matriz, onde o 4 está na frente do 3,2,1 e o Y representa o grau de preferência a descarte, sendo o valor 1 de menor preferência, 2 de média e o 3 de alta preferência para descarte.  Eita! Ainda não estou entendo essa tal da marcação! Calma iremos abordar esse assunto com maior detalhe no post II. Mas confiram a imagem da convenção DSCP em decimal:

blog_dscp.png

Não é nosso objetivo tratarmos sobre o IPv6, mas vale frisar que ele já é adepto ao QoS por padrão.

2.3 – Ações básicas de acionar o QoS

– Existem duas ações para disparar um conjunto de de QoS, são elas: match-all (padrão) e o match-any. Afinal qual a diferença entre esses? A diferença está justamente na “porta lógica” usada por eles. O match-all utiliza a porta AND, ou seja, só haverá um “match” uma vez que todas as regras sejam dependentes daquele grupo sejam ativas. Já o match-any utiliza a porta lógica OR, ou seja, se pelo menos uma das regras que pertence ao grupo for ativa haverá um “match”. É muito comum o uso dessas ações de forma atrelado as listas de acesso, se você não compreende este assunto, recomendo a leitura da série de ACL feita pela Márcia. Bem, então vamos conferir o exemplo abaixo:

class-map match-any CLASSE_DADOS_ALTAmatch access-group name ACL_Oracle  

match access-group name ACL_Italogerencia  

match access-group name ACL_SQL  

match access-group name ACL_Replicacao  

match access-group name ACL_NETBIOS  

!  

class-map CLASSE_VOZ    !l  

match access-group name ACL_SIP  

match access-group name ACL_RTP

– Assim, o nosso primeiro caso da CLASSE_DADOS_ALTA uma vez havendo um hit em qualquer uma das ACL’s haverá um “match” do DiffServ (porta lógica OR). Já no segundo caso só haverá um “match” se ambas ACL’s SIP e RTP fizerem um hit (porta lógica AND).

3 – Auto-QoS, CLI e MQC

Antes de essas técnicas de implantação de QoS, precisamos conhecer um pouco como se baseia uma política de QoS.

3.1 – Política de QoS

– A Política de QoS define regras que organizam o tráfego conforme a necessidade do uso  da banda passante, podendo vigorar em níveis de prioridade, reserva de banda e pré-roteamento. Ela é fundamental para um rendimento eficaz e produtivo do controle de entrada e saída do tráfego. Através dela, amplia-se a visão relacional, facilita e otimiza todo controle de banda.  Nos casos de média ou alta complexidade é interessante elaborar documentos definindo todo o escopo  da Política de QoS, inclusive a topologia de rede.

Confiram a imagem:

blog_politica_qos.png

– Para a realização da implantação da Política de QoS destacamos três passos dentro do escopo de planejamento, são eles:

1º passo: identificar tráfego e seus requirementos: consiste no princípio de separar a banda necessária para cada aplicação dentro da rede de forma otimizada.

– Problemas: “Raramente os responsáveis pela rede conhecem todo o tráfego que passa pela rede”; “Os encarregados pela rede possuem grande idéia das aplicações, mas desconhecem todos os protocolos que elas usam”.
– Soluções: analisar através de protocolos de gerenciamento o que se tráfega pela rede, usar ferramentas de reconhecimento de aplicação, ou qualquer outro mecanismo que possa identificar o volume do tráfego e os protocolos.  Além disso, devemos determinar a importância do tráfego descoberto e percebemos se é realmente importante deixá-lo na rede.

2º passo: dividir o tráfego em classe: consiste em designar o tráfego para sua determinar classe, relacionando-a com precisão a fim de atender a aplicação.

3º passo: definir as Políticas de QoS para cada classe: essencialmente, a Política de QoS é baseada no trabalho realizado nos dois primeiros passos. A Política define a ação dos pacotes dentro da classe de serviço. Essas ações causam alguma mudança em algum dos quatro fatores que influência a transmissão. É neste passo, que designamos as ferramentas de QoS. Por exemplo, podemos escolher a ferramenta de enfileiramento para garantir uma quantidade de banda para a classe de serviço. Podemos destacar outro exemplo como sendo o mecanismo de evitar congestionamento dentro das filas.

 3.2 – Auto-QoS

– O Auto-QoS é uma das formas mais simples de implementação de QoS nos equipamentos de rede, com apenas poucos comandos ou poucos ajustes consegue-se aplicá-lo. Denominou-se de Auto-QoS, pois toda estrutura da Política de QoS é montada automaticamente seguindo padrão para atender a necessidade de estruturas de VoIP de pequeno à médio porte.  Nos roteadores ele classifica os pacotes dentro de três classes, são elas: voz, sinalização de voz e todo o restante do tráfego.
– O Auto-QoS não requer grandes conhecimentos em QoS para aplicá-lo na rede. Além desta vantagem, ele pode ser ajustado conforme a necessidade de configuração.
– Nos switches o princípio também é elementar. Ocorre um mapeamento básico para esses dispositivos na estrutura de mapeamento de CoS para DSCP, e vice-versa, tornando-se capaz a interação e o reconhecimentos dos pacotes vindos dos roteadores. Ah e CoS significa Class of Service.
– O Auto-QoS é muito simples também para desabilitá-lo. Entretanto, se alguém fizer algum ajuste nas configurações, deverá desfazê-lo manualmente. A maioria dos fabricantes, define a sua Política de QoS baseando-se nas melhores práticas e a Cisco(r) participa dessa idéia.

3.3 – CLI

– O modelo de configuração via CLI (Command Line Interface) à configuração é realizada via comandos de forma personalizada. Assim, requisita-se maior entendimento para realização de execução, operação e manutenção.

3.3 – MQC

– O modelo MQC (Modular QoS Configuration) segue um padrão específico para configurações via CLI. Ele é o mais usado nos equipamentos Cisco, por ser padronizado e apresentar apenas três etapas simples, são elas:

3.3.1. Criar a política para cada classe de serviço.

3.3.2. Aplicar o QoS nos níveis desejados, marcando pacotes e provendo recursos.

3.3.3. Apontar dentro da interface a política como saída ou entrada.

– O que é válido informar é que o princípio do MQC é o mesmo para circuitos Frame-relay e PPP/HDLC, entretanto suas sintaxes são bem diferentes!!! Mas para finalizar, vamos conferir como seria uma simples configuração de MQC para um circuito PPP, vejam a imagem:

blog_mqc.png

Em breve daremos continuidade a série.

Deus abençoe vocês!

Italo Amaral



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18 comentários

Pular para o formulário de comentário

  1. Rodrigo Freitas

    Italo, excelente post, estamos no aguardo dos próximos.

    Rodrigo Freitas.

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  2. Marcos Pitanga

    Show Italo… Mete bronca garoto….

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  3. alamon71

    excelente Italo, obrigado pelo contribuição.

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  4. CR

    Excelente post, realmente uma aula sobre QoS!!

    No aguardo dos próximos.

    Abs,
    CR.

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  5. Mizael Andrade Reis

    Quando acontece estes posts em séries/partes, eu me amarro, principalmente quando o tema é de extrema qualidade.valeu Ítalo.Descortina isso ai pra gente XD

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  6. Rafael Carvalho

    Em meu blog estou começando a falar sobre o mesmo assunto.
    Coloquei um video tutorial sobre Classificação e Marcação.
    Próximo fim de semana coloco mais um material.

    http://engrafaelcarvalho.blogspot.com/

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  7. Johnny Vernin

    Obrigado cara… ótimo post….

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  8. Italo Amaral

    Muito bom Rafael parabéns! 😀

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  9. Marco Filippetti

    Excelente Italo!!! Desencantou ehn rsrsrrsrsrs! Abs!

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  10. SKVini

    Não lí ainda,
    Más me pareceu muito bom..

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  11. phbs82

    Excelente post. Parabéns, esses artigos engrandecem o material disponível em língua portuguesa

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  12. vitor

    Sem dúvida um artigo de primeira linha! Um assunto de grande interesse geral hoje. Parabéns, estou no aguardo dos próximos, que sem dúvida será primoroso como o primeiro!

    []´s

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  13. Plinio Monteiro

    Maravilha de Post… Parabéns…

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  14. Marcia Guimaraes

    Caro Ítalo,

    Tudo que procurava sobre QoS, vi aqui no seu primeiro artigo. Simples, direto e descomplicado.

    Aguardo ansiosa pelos próximos… e…

    …muito obrigada. 🙂

    Sds.
    Márcia Guimarães

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  15. Minu

    Finalmente tive tempo para ler! Excelente! Estou ansioso pelos outros posts, QoS é um assunto que muito me chama a atenção.

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  16. rapsil

    Muito bom, já estou aguardando a continuação!!!!!!

    Abçs

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  17. Makal

    Excelente! Embora tenha me perdido um pouco com os termos e assuntos novos (nada que acompanhar as outras partes não resolve ;D) eu adorei a matéria! Assim como o mvdtrino, me amarro nessas “séries”… E sempre com ótimos assuntos, e excelentes autores… ;D

    Vou ler a Parte II, e comentarei também!

    Parabéns Italo!

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  18. WCampos

    Por acaso a parte III e IV ja esta disponivel ? Muito bom o tutorial

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