I. ARQUITECTURA TCP/IP -...

ARQUITECTURA Y SERVICIOS DE INTERNET© Fco. Javier Yágüez García

11

I. ARQUITECTURA TCP/IP1. Protocolo IPv6 (ICMPv6)2. IP móvil en IPv4 e IPv63.Transición de IPv4 a IPv64. Encaminamiento dinámico de unidifusión y MPLS5. Multidifusión IP6. Encaminamiento dinámico de multidifusión7. TCP: Servicios opcionales (confirmación selectiva o SACK)

y control de la congestiónUDP: Servicio no orientado a conexión para transmisiones multimedia en tiempo real

8. Parámetros de calidad de servicio, modelos de calidad de servicioy servicios en tiempo real en Internet (RTP, VoIP y ToIP)

II. SERVICIOS Y TECNOLOGÍAS DE SEGURIDAD EN INTERNET1. Amenazas, servicios y mecanismos de seguridad2. Seguridad Web y correo electrónico3. Protección de las comunicaciones: Intranets y Redes privadas virtuales

ARQUITECTURA DE REDES DE COMUNICACIONESÍNDICE TEMÁTICO


22222

TRANSPARENCIAShttp://halley.ls.fi.upm.es/~jyaguez/libros.html

PROBLEMAShttp://halley.ls.fi.upm.es/~jyaguez/examenes.html

Arquitectura de Redes de Comunicaciones

Documentación: Tema I, Capítulo 8http://pegaso.ls.fi.upm.es/arquitectura_redes/index2.html

material

•TCP/IP Tutorial and Technical Overview, Lydia Parziale, David T. Britt ,… 8ª edición (Diciembre 2006).

Redbooks: http://www.redbooks.ibm.com/portals/solutionsLibro descargable desde Internet)

.Los RFCs que se indiquen


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LA PROBLEMÁTICA DE LA CALIDAD DE SERVICIO EN INTERNET

Internet es una red de computadoras o red de redes TCP/IP que basasu funcionamiento en la tecnología de conmutación de paquetesmediante un servicio de encaminamiento no orientado a conexión yno fiableVentaja: IP se dedica, fundamentalmente a encaminar,

especialmente IPv6Desventaja: IP, por omisión, NO garantiza calidad de servicio o

QoS (Quality of Service) a los distintos flujos de paquetes IP, por omisión, sólo proporciona un servicio “best-effort” o

“de mejor entrega o reenvío posible” o “hago lo que puedo”• Es decir, IP “hace lo que puede” para encaminar cada paquete

desde un origen a un destino tan rápidamente como seaposible: “primero que llega, primero que sale”

Actualmente, sólo los operadores garantizan a sus clientes unaQoS, previamente contratada, en los routers de sus redes IP


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Servicio IP de “Mejor Entrega Posible” o “Hago lo que Puedo” o Servicio “Best Effort”

Línea 1

Línea 2

Línea n

COLA FIFOLínea salida

La mayoría de los routers en Internet disponen de la tradicional cola FIFO(First-In-First-Out) para cada línea de salidaLO PRIMERO QUE ENTRA ES LO PRIMERO QUE SALE ENCAMINADO SINNINGÚN TIPO DE GARANTÍAS DE QoS (CALIDAD DE SERVICIO)Se descartan o se pierden paquetes IP cuando se desborda la capacidadde almacenamiento de los buffers asociados a las distintas colas de salidaEs el servicio IP más simple, y por omisión, pero no el ideal

La mayoría de los routers en Internet disponen de la tradicional cola FIFO


Calidad de Servicio (QoS) en Internet Actualmente, la congestión y la falta de QoS son los

principales problemas de Internet IP fue diseñado para dar, por omisión, un servicio “best

effort”Sin embargo, hoy en día, se utiliza para aplicaciones

interactivas en tiempo real o “sensibles” a las redescon congestión y a la falta de QoSAudioconferencias, videoconferencias, VoIP (Voice

Over IP), etc.• Estas aplicaciones no pueden funcionar en una red

“best effort” congestionada.• Se han hecho modificaciones en IP para que pueda

ofrecer QoS a las aplicaciones, hoy por hoy, sólo enlas redes IP de los operadores

5


6

Concepto de Flujo para la QoS

Un flujo es un conjunto de paquetesprocedentes de una misma fuente(cámara, micrófono, teléfono, etc.)que siguen una misma ruta porInternet y requieren una misma QoS Un flujo es unidireccional (simplex)


7

A147.156.135.22

B158.42.35.13

Flujo vídeo A->B: 147.156.135.22:2056 -> 158.42.35.13:4065Flujo audio A->B: 147.156.135.22:3567 -> 158.42.35.13:2843Flujo vídeo B->A: 158.42.35.13:1734 -> 147.156.135.22:6846Flujo audio B->A: 158.42.35.13:2492 -> 147.156.135.22:5387

4 Flujos en una VideoconferenciaPor ejemplo, una videoconferencia estaría formada por cuatro flujos:

Audio y Vídeo de ida, Audio y Vídeo de vuelta

Los flujos se agrupan en clases de tráficos de paquetes o clases deservicios y cada flujo debe recibir siempre la misma QoS


8

Identificación de Flujos Un flujo se identifica por los cinco parámetros

siguientes:Dirección IP de origenNúmero de Puerto de origenDirección IP de destinoNúmero de Puerto de destinoProtocolo de transporte utilizado (TCP o UDP)

Los flujos pueden agruparse en clases Todos los flujos dentro de una misma clase de

tráfico de paquetes (vídeo, audio, etc.) o clase deservicio reciben la misma QoS


9

4 Parámetros de Calidad de ServicioParámetro Unidades Significado

Caudal bps Capacidad de cada enlace, de la red, ofrecida a cada flujo

LATENCIA(LATENCY) o

RETARDO (DELAY)

ms

Retardo o tiempo requerido por el paquete de un flujo

para atravesar la redJITTER

msVariación de la latencia entre paquetes secuenciales de un

mismo flujoTASA DE

PÉRDIDAS (LOSS RATE)

%Proporción de paquetes perdidos

respecto de los enviados en un determinado flujo


10

IP IP IP IP

10 Gbps

1 Gbps 100 Mbps

1 Gbps

Caudal crítico = min (10 Gbps, 1 Gbps, 100 Mbps, 1 Gbps) = 100 Mbps

Caudal mínimo o crítico en una red: Parámetro QoS significativoCaudal de un flujo = capacidad del enlace/número de flujosEnlace = 1 o más flujos

Los flujos de las aplicaciones con QoS requieren un mínimo de capacidad en cada uno de los enlaces

Caudal: Capacidad de cada enlace de la red ofrecida a cada flujo

Parámetro de Calidad de ServicioCAUDAL

Menor caudal ofrecido en un enlace de la red


1111

Variación o fluctuación de la latencia o latencia variable(interpacket delay) es la diferencia de tiempo extremo a extremo enla red entre paquetes secuenciales de un mismo flujo Por ejemplo, si un paquete requiere 100 ms en atravesar la red

desde el extremo emisor al extremo receptor y el siguientepaquete requiere, a su vez, 125 ms para realizar el mismo viaje,el jitter será de 25 ms

Esto es muy importante por ejemplo en VoIP ya que los paquetesno llegan ni en el orden ni en un tiempo constante, por lo que hayque esperar a que lleguen todos para poder reproducirlos en suorden

El control del jitter de cada paquete lo lleva a cabo el extremoreceptor mediante un BUFFER DE REPRODUCCIÓN endonde se almacenan los paquetes, previamente, y durante untiempo de espera (timestamp), antes de ser reproducidos

Parámetro de Calidad de ServicioJITTER


1212

Parámetro de Calidad de ServicioLATENCIA

Retardo o tiempo de tránsito extremo a extremo del paquete de un flujo,es decir, el tiempo requerido por el paquete de un flujo para atravesarlos diferentes enlaces de una red

Un retardo extremo a extremo de entrega de cada paquete es unaacumulación de los retardos o tiempos de propagación, transmisión,proceso y espera (en la correspondiente cola del interfaz de salida de unrouter) en cada uno de los enlaces en el trayecto entre el origen y destinoRetardo de Propagación: Fijo en función de la Longitud del

enlace/Velocidad de propagación del medio Aire = 300.000 Kms/seg (3,33 µseg/Km); cable = 200.000 Kms/seg (5 µseg/Km)Retardo de Transmisión: Variable en función de la Longitud de la

trama/Capacidad del enlaceRetardo de Proceso: Despreciable en función del tiempo que tarda el

router en procesar un paquete y colocarlo en la cola del interfaz de salidaRetardo de Espera en Cola (JITTER): Variable (y el más importante) en

función del tiempo de espera o estancia en la cola del interfaz de salida


1313

P: Retardo de propagación T: Retardo de transmisiónQ: Retardo de proceso y ESPERA EN COLA DE SALIDA (Jitter)

• La acumulación de los diferentes tiempos implicados, especialmente, el jitter esIMPREDECIBLE en Internet o en redes IP con servicio “hago lo que puedo”

• PREDECIBLE o limitado en las redes IP de los operadores con QoS para determinadosflujos

• LATENCIA MÁXIMA o RETARDO MÁXIMO (que no se debe superar): ParámetroQoS significativo

Retardo = T1 +P1 +Q1 +T2 +P2+ Q2 + T3 +P3 + Q3 + T4 +P4 = “n” ms

IP

T1 +P1

Q2

IP IP IP

T2 +P2

Q3

T3 + P3

Q4 T4 + P4

NUNCA DEBE SUPERARSE el Retardo Máximo de Tránsito Extremo a Extremo de un Flujo


1414

Parámetro de Calidad de ServicioLATENCIA

Hay aplicaciones que admiten más o menos latencia Una persona navegando por Internet, esperando a que se descargue una página

web, o descargando un fichero puede asumir cierta cantidad de tiempo deespera. Esto no es así, por ejemplo, para el tráfico de voz (VoIP)

El tráfico de voz es un servicio interactivo en tiempo real, sensible a la latencia,al jitter y a las congestiones En un contexto de telefonía, la latencia es el tiempo requerido por una señal

generada en la boca del llamante hasta alcanzar el oído del destinatario En VoIP nunca debe superarse un determinado retardo máximo para los

paquetes de un flujo de voz• Retardos (entre paquetes) menores de 150 mseg: Ideales al no ser percibidos

por el ser humano• Retardos (entre paquetes) entre 150 y 400 mseg: Aceptables pero no ideales• Retardos (entre paquetes) por encima de 400 mseg: Inaceptables ya que

impiden la interactividad en conversaciones de voz


1515

Variación o fluctuación de la latencia o latencia variable entrepaquetes (interpacket delay) es la diferencia de tiempo extremo aextremo en la red entre paquetes secuenciales de un mismo flujo Por ejemplo, si un paquete requiere 100 ms en atravesar la red

desde el extremo emisor al extremo receptor y el siguientepaquete requiere, a su vez, 125 ms para realizar el mismo viaje,el jitter será de 25 ms

Esto es muy importante por ejemplo en VoIP ya que los paquetesno llegan ni en el orden ni en un tiempo constante, por lo que hayque esperar a que lleguen todos para poder reproducirlos en suorden

El control del jitter de cada paquete lo lleva a cabo el extremoreceptor mediante un BUFFER DE REPRODUCCIÓN endonde se almacenan los paquetes, previamente, y durante untiempo de espera (timestamp), antes de ser reproducidos



1616

El JITTER se ocasiona, principalmente, por los tiempos deespera o estancia variables en cola o retardos variables o tiemposde estancia diferentes de los paquetes de un mismo flujo en lasdiferentes colas de salida de los routers, provocando una pérdidade sincronismo en el receptor ya que es imposible procesar lospaquetes en recepción con la misma cadencia de salida del emisor

Junto con la latencia es un parámetro muy crítico en servicios decomunicaciones interactivos en tiempo real

• Variación alta = Calidad desigual del sonido o la imagen• Aplicaciones interactivas en tiempo real tienen

requerimientos estrictos de latencia y jitter• JITTER MÍNIMO: Parámetro QoS significativo



1717

JITTER se ocasiona por los Tiempos de Espera Variables en Cola de Salida de los Routers

IP IPIPIP

Proceso

Retardo de proceso Espera en cola

Caudal

Tiempo de transmisión(JITTER)

Variación alta = Calidad desigual del sonido o laimagen

Aplicaciones interactivas en tiempo real tienenrequerimientos estrictos de latencia y jitter

JITTER MÍNIMO: Parámetro QoS significativo


1818

Si hacemos uso del servicio de VoIP con un teléfono o terminal IP, el típicoCODEC G.711 o chip ADC de nuestro teléfono IP o de la tarjeta de sonido denuestra computadora genera una tasa de 8000 octetos/seg o 64.000 bits/seg (fde muestreo = 8000 muestras/seg x resolución = 8 bits/muestra)

El proceso emisor va agrupando los 8.000 octetos/seg cada 20 mseg deconversación, obteniendo paquetes o trozos de voz de 160 octetos Nº de octetos por paquete de voz = 20 mseg x 8000 octetos/seg =160

octetos Al trozo o paquete de voz o carga útil de 160 octetos, se le añaden

cabeceras RTP, UDP, IP y Ethernet y el resultado se transmite por la redde acceso a un ritmo de un paquete de voz cada 20 mseg

Si hay un retardo constante de 20 mseg por Internet, durante la conversación(condiciones ideales), los paquetes llegan al receptor de una forma periódicacada 20 mseg y se escucha al mismo tiempo que se habla con un máximo deinteractividad en la conversación de voz

El receptor (CODEC o chip DAC del teléfono o de la tarjeta de sonido)reproduce en función de un tiempo de reloj (igual que el del emisor) cadapaquete tan pronto como llega

“Por desgracia” no se pueden mantener los 20 mseg entre paquetes: Algunospaquetes se perderán, otros llegarán desordenados y, además, la mayoría delos paquetes no tendrán un mismo retardo extremo o extremo por Internet(incluyendo diferentes jitters o variaciones, incluso con una Internet “muypoco congestionada”)

Problemática de la LATENCIA y JITTER en VoIP en Internet


19

t

t

Emisor Transmite

Receptor Recibe

AA BB CC

AA BB CC

20 ms

Emisor Receptor

Red

20 ms 90 ms

Congestión

LATENCIA EN LA RED: 60 ms + 30 ms (jitter)

Red vacía

Problemática de la LATENCIA y JITTER en VoIP

¿?bla, bla, bla, bla

El ritmo de transmisión de un emisor no coincide con el ritmo de transmisión por la red debido a la latencia y jitter de ésta

Buffer de reproducción para el control del jitter

En Internet no se puede mantener una misma latencia para cada paquete de un determinad flujo porque el jitter por paquete suele ser diferente


2020

Codificación de la VozRECORDATORIO de los diferentes CODECS

Señal de voz analógica.

Esta señal se convierte en una señal digital mediante PCM

10110101 11010011 11001001 00100100 00111100 10010011 11100001 00100100 00111100 10010011 10110101

11010011 11001001 00100100 00111100 10010011 11100001 00100100 00111100 10110101 11010011 11001001 00100100 00111100 10010011 11100001 00100100 00111100

Se construyen las unidades de datos a partir de la salida del codec

•La mayoría de los Codec comprimen la corriente PCM • PCM G.711 genera 64.000 bits/seg• G.729a genera 8.000 bits/seg (1000 muestras/seg x 8 bits/muestra = 8000 bits/seg

10 mseg de voz x 8000 bits/muestra = 10 bytes)• G.726 genera 6,3; 5,3 Kbit/seg


2121

Proporción de paquetes perdidos respecto de los enviados en un determinadoflujo y que no llegan al destino, generalmente, por desborde del buffer de lacola de salida del router y, en menor medida, por errores físicos en las tramas(CRC WiFi) y cabeceras de los paquetes IPv4 (checksum y TTL = 0) ysegmentos TCP (checksum) IP no es un protocolo fiable, lo cual significa que en determinadas

circunstancias los paquetes de datos pueden ser descartados (perdidos) por lared, generalmente, cuando la red está especialmente congestionada.

La pérdida de múltiples paquetes de un flujo de voz puede causar un ruidoque puede llegar a ser molesto para el usuario.

Pérdidas de paquetes en los routers: Vía TCP son recuperables, pero lasretransmisiones y controles TCP son inaceptables para aplicacionesinteractivas en tiempo real al incrementar el retardo extremo a extremo.Además, el control de congestión TCP reduce la tasa de envío (troughput)en el emisor

Por ejemplo, para mantener una calidad de la voz, los paquetes perdidosno deberían de exceder, del 1% de todos los paquetes enviados

TASA DE PÉRDIDAS MÍNIMA: Parámetro QoS significativo

Parámetro de Calidad de ServicioTASA DE PÉRDIDAS


22

IP IPIPIP

Proceso Caudal

IP

Descarte del últimoCONGESTIONES O PERDIDAS DE PAQUETES IP EN UN ROUTER DE ACCESO,ESPECIALMENTE CRÍTICO EN ENLACES DE ENTRADA DE ALTA CAPACIDAD

Y ENLACES DE SALIDA DE MENOR CAPACIDAD

buffer de la cola del interfaz de salida

enlacesde entrada

enlacesde entrada enlace

de salida

…

…

Las Pérdidas se suelen ocasionar en los RoutersLa congestión en Internet es la pérdida de 1 o más paquetes IPdebido al desborde del buffer de la cola del interfaz de salida

de un router cuando las tasas de entrada superan las capacidades de salida


23

Calidad de Servicio en Internet Salvo por las redes IP de los operadores con los que

se contratado previamente una QoS, NO SEASEGURA que un determinado flujo de paquetes enInternet vaya siempre por las rutas de MÁXIMOCAUDAL, MENOR LATENCIA y JITTER yMENOR NÚMERO DE PÉRDIDAS

Actualmente, la congestión y falta deQoS es el principal problema deInternet


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Oferta de Calidad de Servicio (QoS) Actualmente, sólo los operadores garantizan QoS, previamente

contratada, a sus clientes, en los routers de sus redes IP Un operador ofrece QoS en su red IP cuando garantiza un valor

límite (máximo o mínimo) de alguno de los parámetros de QoS Si el operador no se compromete en ningún parámetro se dice que

ofrece un servicio “best effort” o por omisión El contrato, que especifica los valores acordados entre el proveedor y el usuario

(cliente), se denomina SLA (Service Level Agreement). Por ejemplo: Caudal ≥ 1 Gbps Retardo ≤ 80 ms Jitter ≤ 30 ms Tasa de pérdidas ≤ 0,01 %

Al QoS, el operador añade una PRIORIDAD DE TRATAMIENTOen función delCódigo no estándar IPP del operador (IP Precedence) que

emplean los 3 bits de mayor orden del campo ToS de IPv4 o delcampo prioridad de IPv6 o del código estándar DSCP de 6 bits

Algoritmo de gestión de colas del router, haciendo que, porejemplo, los paquetes de voz tengan máxima prioridad por lascorrespondientes colas de salida


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Categorías de Aplicaciones (I) Tiempo realInteractivas

• Audioconferencias• Videoconferencias• VoIP• Necesidad de garantizar

– Retardo máximo– Caudal mínimo

• El jitter de cada paquete lo debe corregir el receptor

No interactivas• Streaming de audio y vídeo• Es muy útil garantizar el retardo máximo• Tolerantes al retardo medio


26

Elásticas (funcionan con prestaciones variables de red)

Interactivas• HTTP, FTP, Telnet• Sensibles al retardo medio

No interactivas• E-mail• No importa el retardo

Categorías de Aplicaciones (II)


Requerimientos de QoS para las Aplicaciones

Tipo de aplicación CAUDAL LATENCIA Jitter Tasa de Pérdidas

Elástica interactiva (HTTP, FTP, etc.)

Bajo Bajo Medio Media1

No interactivo (e-mail)

Alto Alto Alto Alta1

VoIP Bajo Bajo Bajo BajaVídeo interactivo Alto Bajo Bajo Baja

Vídeo unidireccional (streaming)

Alto Medio Bajo Baja

1En realidad la aplicación requiere pérdida nula, pero esto lo garantiza el protocolo de transporte TCP

27


Routers con Algoritmos de Gestión de Colas El tratamiento de paquetes IP dentro de un router

depende de su configuración interna y en función de éstadispondrá de más o menos funcionalidad

La mayoría de los routers en Internet disponen de unaconfiguración mínima o, por omisión, para elfuncionamiento de la tradicional cola por omisión (FIFO),la cual no permite:Diferenciar servicios ni prioridades de tratamiento

mediante el código no estándar IPP (IP Precedence) delos operadores o del código estándar DSCPAplicar ALGORITMOS DE GESTIÓN DE COLAS

RFC-2309: Recommendations on Queue Management andCongestion Avoidance in the Internet

2828


29

Umbral mínimo

Umbral máximo

Promedio de ocupación

Routers con Algoritmos de Gestión de Colas

CLASIFICADOR DE PAQUETES

ENTRADA DE PAQUETES IP

SALIDA DE DATAGRAMAS

PLANIFICADOR

CONTROLADOR DE ADMISIÓN

TRES COMPONENTES BÁSICOSPaquetes IP de

entrada en función del nivel de ocupación de

las colas de salida

En función del código QoS Asignación de

cola de salidasegún QoSy nivel de ocupación


30

Umbral mínimo

Umbral máximo

Promedio de ocupación

Algoritmo de Gestión del la Cola Uso de un algoritmo en router para detectar el principio de congestión

Descarta/marca datagramas (antes de que la cola esté llena) Objetivos de diseño:

• Aplicar diferentes tratamientos de prioridad a lospaquetes de salida

• Ofrecer el caudal contratado• Minimizar el jitter y latencia• Minimizar la pérdida de paquetes• Minimizar la congestión en la red



Cola 7 (Más alta prioridad)

Cola 6

Cola 5

Cola 4

Cola 3

Cola 2

Cola 1

Cola 0 (Más baja prioridad)

El código QoS lo usa el router para seleccionar la cola responsable para el encaminamiento del paquete, descartando los paquetes que superan el umbral de ocupación del buffer

Algoritmo de encolamiento


(10%)

(10%)

(60%)

(20%)

Cada cola almacenará, al menos, los paquetes que le corresponden, y si hay caudal libre en el enlace de salida, almacenará más paquetes

(30%)

(40%)

(50%)

(60%)

31


32

Clave en la Congestión y Calidad de Servicio

Con un buen CAUDAL en los enlaces se resuelven“casi” todos los problemas

Sería muy fácil dar QoS si las redes nunca secongestionaran Para ello, habría que sobredimensionar todos los

enlaces, lo cual no siempre es posible Para dar QoS con congestión es preciso tener

mecanismos que permitan dar un trato distinto al tráficopreferente y cumplir el SLA (Service Level Agreement) Un SLA es un contrato entre el operador de la red y

un cliente para definir aspectos específicos delservicio (valor límite mínimo o máximo de alguno delos parámetros) que se va a proporcionar


33

Modelo ATMTiende a desaparecer ante los modelos actuales (Modelo de

Servicios Diferenciados) basados en la conmutación MPLS sobretecnología GigaEthernet

MODELOS ACTUALES del IETFModelo de “Servicios Integrados” (1994)

• Fracasó y desapareció como modelo QoS• Actualmente, su protocolo RSVP se usa en Ingeniería de

Tráfico sólo como alternativa a LDP para la distribución deetiquetas MPLS

Modelo de “Servicios Diferenciados” (1998)• Modelo estándar de QoS para las redes IP de los operadores

Modelos de QoS para IP


34

Qos (Quality of Service) en IP: Modelo de “Servicios Integrados” (IntServ: Integrated Services)

Documentos RFC del 2205 al 2210 Modelo complejo que fracasó y se basaba en reservar previamente recursos

(caudal mínimo y retardo máximo) en la red para cada flujoLos mensajes RSVP se encapsulaban directamente en IP (identificador 89):Las tablas IP se configuraban previamente, antes del envío de mensajes

RSVP, mediante un IGP de unidifusión (RIP y OSPF)• Análogo a la reserva previa de un trayecto MPLS

Protocolo RSVP (ReSerVation Protocol): Reservaba previamente recursospara un determinado flujo por las mejores rutas

Cada router tenía que mantener toda la información de estado sobre cadaflujo que pasara por él

• No era escalable en los routers de tránsito cuando había muchos flujosLos fabricantes de routers no desarrollaron implementaciones eficientes de

RSVP, debido al elevado costo que tenía implementar en hardware losalgoritmos necesarios para mantener gran cantidad de información de estado


35

Problemas de Escalabilidad de RSVP RSVP generó una euforia inicial (1996-1997) que luego dio paso a la

decepción La razón principal fueron problemas de escalabilidad debidos a la

necesidad de mantener información de estado en cada router RSVP es inviable en grandes redes, por ejemplo en el núcleo (core)

de Internet o en la red IP de un operador

Núcleo deInternet

Estos routers han de mantener información sobre muchos flujos y por

tanto mucha información de estado


3636

Nació para solventar los problemas asociados almodelo de “Servicios Integrados” mediante unmodelo más simple de QoS No requiere una configuración avanzada, ni reserva

previa de recursos ni almacenar la información deestado de cada flujo en cada router (ServiciosIntegrados) Calidad de servicio basada en la clase del servicio

mediante una codificación (DSCP: DifferenciatedService Code Point) de 6 bits que es la misma tantopara IPv4 e IPv6

Qos (Quality of Service) en IP: Modelo de “Servicios Diferenciados” (DiffServ: Differentiated Services)

RFC-2474 y RFC-2475


3737

Típico modelo para un grupo de routers queforman el dominio administrativo deencaminamiento de la red IP de un operadorLa administración define un conjunto de clases de servicio

con una determinada codificación DSCP

El router ENCAMINA por la dirección de destinodel paquete en función de su tabla IP,OFRECIENDO los recursos (caudal, latencia,jitter y tasa de pérdidas) y la prioridad detratamiento indicados por la clase de servicio

Qos (Quality of Service) en IP: Modelo de “Servicios Diferenciados” (DiffServ: Differentiated Services)


38

El estándar en Internet para aplicar calidad de servicio en las redesIP de los operadores se denomina Modelo de ServiciosDiferenciados

A efectos prácticos, los operadores aplican, “a su manera” suspropios códigos de calidad de servicio anteriores al estándar delIETF DiffServ utiliza una codificación (DSCP: Differenciated

Service Code Point) de 6 bits que es la misma tanto para IPv4 eIPv6 Los operadores aplican sus propios códigos IPP (IP

Precedence) haciendo uso de los primeros 3 bits de mayororden del campo TOS en IPv4 y del campo Prioridad enIPv6

Qos (Quality of Service) en IP: Modelo de “Servicios Diferenciados” (DiffServ: Differentiated Services) del IETF

RFC-2474 y 2475


39

VERSIÓN

RELLENO

0

(TTL)

000 D T R00

4 4 8 16

CABECERA

TIPO DE SERVICIO

LONGITUD TOTAL

IDENTIFICADOR DF

MF DESPLAZAMIENT

OTIEMPO DE VIDA PROTOCOLO

DIRECCIÓN ORIGEN

DIRECCIÓN DESTINO

OPCIONES

DATOS

LongitudCabecera

SUMA DE COMPROBACIÓN(CABECERA)

Los 6 bits de mayor orden del campo ToS de la cabecera IPv4 se usan para el modelo de “Servicios Diferenciados”

Qos en IPv4: Modelo de “Servicios Diferenciados”

39

RECORDATORIO


40

VERSIÓN

RELLENO

0

(TTL)

4 4 8 16

CABECERA

LONGITUD TOTAL

IDENTIFICADOR DF

MF DESPLAZAMIENTO

TIEMPO DE VIDA PROTOCOLO

DIRECCIÓN ORIGEN

DIRECCIÓN DESTINO

OPCIONES

DATOS

LongitudCabecera

SUMA DE COMPROBACIÓN(CABECERA)

DSCP

Differentiated Services Code Point

0 0

Punto de Códigode Servicios Diferenciados


40

Notificación Explícita de Congestión (ECN)

El código DSCP reemplaza el significado de los 3 bits originales del campo Prioridad y de los 3 bits de control D-T-R

RECORDATORIO


41

Versión Etiqueta de flujo (20 bits)

Longitud de la carga útil Cabecerasiguiente

Límite de saltos

0 4 31

Dirección de origen (16 octetos)

Dirección de destino (16 octetos)

40octetos

12

xxxxxx

Differentiated Services CodePoint

Punto de Códigode Servicios Diferenciados

XX

El código DSCP reemplaza el significado de los 4 bits originales del campo Prioridad y de 4bits del campo Etiqueta de Flujo


Notificación Explícita de Congestión (ECN)(para ECN se cogen 2 bits más

del campo Etiqueta de Flujo)

41

RECORDATORIO


Campo DS y Valor DSCP: RFC-2475

Los paquetes se etiquetan según su QoS a través del campo DS (DifferentiatedServices) o de Servicios Diferenciados de 6 bits de la cabecera IPv4/IPv6

El valor del campo DS (Differentiated Services) se denomina DSCP (DScode point) o Punto de Código de Servicios Diferenciados y es el códigoo etiqueta utilizada para clasificar paquetes según el modelo de serviciosdiferenciados

Con un valor DSCP de 6 bits se pueden definir 64 clases diferentes desevicios o comportamientos por salto o tratamientos de reenvío PHB(Per Hop Behavior)

DSCP + ECN: Reemplaza el significado del campo Tipo de Servicio (8 bits) de lacabecera IPv4 y al campo Prioridad (4 bits) y 4 bits del campo Etiqueta de Flujode la cabecera fija IPv6

0 1 2 3 4 5 6 7

ECN

ECN: Explicit Congestion Notification

X X X X XX

Valor DSCP Para una notificación explícita

de congestión

Campo DS

42

RECORDATORIO


Modelo de “Servicios Diferenciados”

El valor DSCP indica el comportamiento por salto o tratamiento de reenvío PHB(Per Hop Behavior) en función de la clase de servicio:

• PHB de reenvío rápido (EF PHB: Expedited Forwarding PHB): Tráficocon más alta prioridad : Caudal alto, latencia baja, jitter bajo, tasa deperdidas baja

• PHB de reenvío asegurado (AF PHB: Assured Forwarding PHB):Tráfico con menos recursos que EF PHB y más que DF PHB

• PHB de reenvío por omisión (DF PHB: Default Forwarding PHB): Poromisión, se lleva a cabo la “mejor entrega posible” o “best effort”(000000) o “primero que llega es el primero que sale” (sin QoS)

• Selector de clase (CS: Class Selector): Cuando los 3 bits de la derecha(bits 3, 4 y 5) son 0, los 3 bits de la izquierda se interpretan de igualforma que los 3 bits de prioridad de IPv4 (XXX000) y, además, paramantener compatibilidad con los códigos IPP (IP Precedence) de losoperadores, anteriores a los códigos DSCP

0 1 2 3 4 5 6 7

ECNX X X X XX

Prioridad de tratamiento (cuando los bits 3, 4 y 5 son 0)

DSCP (RFC-2474)

Puntos de código de selector de clase (Class Selector Codepoints)

43

ECN: Explicit Congestion NotificationPara una notificación explícita

de congestión

RECORDATORIO


44

Antes de la publicación del Modelo de Servicios Diferenciados (RFC-2474, RFC-2475, 1998), los operadores ya utilizaban sus propios códigos Actualmente, los operadores siguen aplicando su propia terminología y

sus propios códigos anteriores a los códigos DSCP De hecho, se añadió el Selector de clase (CS: Class Selector) para

mantener compatibilidad con los códigos IPP (IP Precedence) de losoperadores que emplean los 3 bits de mayor orden del campo ToS de IPv4

Modelo de los Operadores

44

0 1 2 3 4 5

X X X X XX

Campo DS

IPP: IP Precedence

5: Multimedia o premium o platino (equivalente al PHB de reenvío rápido o EF PHB) 3: Oro 1: Plata 0: Bronce (equivalente al PHB de reenvío por omisión o DF PHB)

Selector de clase (CS: Class Selector)

Servicio olímpico

RECORDATORIO


45

Ejemplo del Dominio DS o Dominios DS en la Red IP de un Operador

ROUTERS DE

TRÁNSITO

DOMINIO DS

DOMINIO DS

DOMINIO DS

ROUTER DE

ACCESÒROUTER

DE ACCESÒRed

del cliente

clientecliente

45

…

ROUTER DE

ACCESÒ

ROUTER DE

ACCESÒ

…

La red IP de un operador está formada por 1 o más dominios DS Un dominio DS (Differentiated Services) consiste en un conjunto de routers

contiguos que interpretan un DSCP de manera uniforme Router de acceso: Controla el servicio contratado para los diferentes paquetes de

un flujo Router de tránsito: Aplica el funcionamiento por salto (PHB)


46

Funciones QoS desempeñadas por los Routers de Acceso

Identifica y separa paquetes en las

diferentes clases de servicio en función del SLA contratado

Descarta paquetes que no

se ajusten al SLA contratado

Asigna a cada paquete el

DSCP que le corresponde

Coloca cada paquete en la

cola que le corresponde y descarta los

que superen el umbral

acordado de ocupación del

buffer

Ajusta y retrasa el envío de paquetes

de tal manera

que no se supere la tasa de tráfico

acordada

(Clasificación) (Control) (Codificación)

(Encolamiento y eliminación)

(Ajuste)

En función de la aplicación, nº de puerto, dirección IP

de la máquina origen y contrato con el cliente


Tipos de Routers en un Dominio DS ROUTER DE ACCESO: Nodo externo con máxima funcionalidad

1. Clasificación: Identifica y separa paquetes en las diferentes clases de servicio enfunción del SLA contratado; para ello, analiza la información de control de lacabecera IP (e incluso del nivel de transporte)

2. Control: Comprueba si los paquetes están dentro o exceden el nivel de serviciogarantizado por el SLA para dichos paquetes. En caso contrario, descarta lospaquetes que exceden el SLA para garantizar cualquier otro servicio en la red

3. Codificación: Asigna a cada paquete el DSCP que le corresponde o, incluso,recodifica los paquetes con un diferente DSCP si es necesario1. Por ejemplo, si se supera la tasa de tráfico (throughput) acordada en un

determinado intervalo de tiempo para una determinada clase de servicio, serecodifica el DSCP, por ejemplo, para un reenvío por omisión (DF PHB)

2. Por ejemplo, si una clase de servicio tiene un DSCP = 3 en un dominio y unDSCP =1 en el siguiente dominio, se cambia 3 por 1

3. Por ejemplo, si una clase de servicio tiene una prioridad = 3 en un dominio yuna prioridad = 7 en el siguiente dominio, se cambia 3 por 7

4. Encolamiento: Reglas para dar un trato preferencial de cola a los paquetes deentrada según sus DSCPs

5. Eliminación: Reglas para eliminar paquetes en caso de congestión de buffer6. Ajuste del reenvio: Suaviza las ráfagas de paquetes y conforma el tráfico para su

envío por el interfaz en función de la clase de servicio. Retrasa paquetes si esnecesario de tal forma que el flujo de paquetes de una clase de servicio no excedala tasa de tráfico especificada 47


Tipos de Routers en un Dominio DS

ROUTER DE TRÁNSITO: Nodo interno con mínimafuncionalidad para tratar los paquetes según su DSCP yaplicar el correcto funcionamiento por salto (PHB)Coloca cada paquete en la cola que le corresponde y

descarta los que superen el umbral acordado deocupación del buffer• Encolamiento: Reglas para dar un trato

preferencial de cola a los paquetes de entradasegún el DSCP de cada paquete

• Eliminación: Reglas para eliminar paquetes encaso de congestión del buffer

48


Ingeniería de Tráfico (Traffic Engineering) Actualmente, los operadores de telecomunicaciones hacen uso de un concepto

conocido como Ingeniería de Tráfico para la: Planificación de rutas en una red en base a previsiones y estimaciones

puntuales y a largo plazo con el fin de optimizar los recursos y reducir lacongestión

Para ello, están adoptando MPLS sobre tecnología GigaEthernet abandonandoel tradicional modelo basado en ATM para establecer rutas alternativas a unmismo destino en función del QoS contratado

Además, para que las rutas sean de menor coste se utiliza previamente un IGP Vía RIP, las rutas son fijas, por el número de saltos, y pueden producir

sobrecargas Vía OSPF permite a los routers cambiar dinámicamente las rutas en función de

la sobrecarga de éstas e incluso balancear o distribuir la carga de paquetesentre rutas alternativas a un mismo destino

• En caso de congestión, vía OSPF-TE (Traffic Engineering) permitecambiar las rutas dinámicamente

Además, ha resurgido el interés por RSVP vía RSVP-TE (Traffic Engineering)para aplicarlo en MPLS, como alternativa al protocolo LDP, y con el objetivo dedistribuir etiquetas

4949


50

Emisor

R1

R2R3

R4

PATHRESV

PATH o SOLICITUD DE ETIQUETA, que va por donde indican las tablas IP previamente configuradas, almacenando la dirección del router precedente

RESV o ASIGNACIÓN DE ETIQUETA,que va de atrás hacia adelante, siguiendo la dirección

del router precedente indicado en el mensaje PATH

2 mensajes básicos RSVP-TE

Receptor

A

B

Red IPde un operador

• Funcionamiento similar a LDP• Las Tablas IP configuradas previamente mediante OSPF-TE (Traffic Engineering)

Funcionamiento de RSVP-TE (Traffic Engineering)

50


5151

Protocolo estándar en Internet para proporcionar, extremo aextremo, soporte para el transporte, en tiempo real no interactivo,de paquetes o streams de audio y vídeo entre un servidor y uncliente de streaming STREAMING: Proceso que divide los datos multimedia en paquetes del tamaño

adecuado para su correcta permitiendo que el cliente de streaming reproduzcael primer paquete, mientras decodifica el segundo y recibe el tercero , …

STREAMING no es igual que un SERVICIO DE DESCARGA (transferencia deficheros para su posterior reproducción)

Se encapsula sobre UDP DETECCIÓN de paquetes perdidos y CONTROL de paquetes

desordenados mediante un número de secuencia Control del jitter de cada paquete en recepción mediante un BUFFER

DE REPRODUCCIÓN en donde se almacenan los paquetespreviamente y durante un tiempo de espera (“timestamp” indicado porel servidor de streaming) antes de ser reproducidos

• Marca de tiempo (Timestamp): Plazo máximo de espera de un paquete ostream RTP para almacenarlo en el buffer de recepción antes de sureproducción = Retrasa la reproducción hasta que los paquetes llegan en undeterminado plazo de espera

• Si un paquete llega fuera del plazo de espera no se reproduce

RTP (Real Time Transport Protocol)RFC-3550 STD 0064


5252

NIVELDE

TRANSPORTE

APLICACIÓN

HARDWARE

RED DE

ACCESO

RTP

UDP

APLICACIÓN

IPINTERFAZ DE

LA RED DE ACCESO

HARDWARE

RTP

UDP

Socket

RED DE

ACCESO

NIVELDE

APLICACIÓN

Arquitectura de Protocolos para RTPRTP no ocupa un nivel específico TCP/IP

Incorporado en las aplicaciones sin necesidad de implementarse en un nivel separado

Socket

INTERFAZ DELA RED DE ACCESO

IP


5353

Un Ejemplo de un Envío de Paquetes RTPFormato de los Campos más Relevantes de la Cabecera RTP

Carga útil RTP UDP IP

SSRC Marcade Tiempo

Nº de Secuencia

Tipo de Carga Útil Versión

RTP RTP

UDP UDP

IP IP

Emisor Receptor

Aplicación Aplicación

Vídeo(V)

Audio(A)

Vídeo(V)

Audio(A)

A V A V A

Cabecera RTP

Tipo de carga útil: Formato de datos

y algoritmo de compresión/descompresión

(16 bits)

Indica el flujoal que pertenece el

paquete:(nº aleatorio de 32 bits)

12 octetos

…(32 bits) (32 bits) (7 bits)

Control del jitter (sólo se reproducirán los paquetes quellegan en un tiempo determinado al buffer del receptor)

Control paquetes perdidos y desordenados

(2 bits)


5454

Diseñado para trabajar conjuntamente con RTP Responsable del envío de información sobre la

CALIDAD DE RECEPCIÓN para que el emisorpueda ajustar su transmisión: Los participantes seenvían periódicamente paquetes RTCP para informar,fundamentalmente, sobre la calidad de la recepción oestadísticas de recepción de los paquetes RTP: Nº más alto de secuencia recibido Nº de paquetes perdidos Nº de paquetes desordenados Marcas temporales (para calcular el tiempo de ida y vuelta) …

Se encapsula sobre UDP

RTCP (RTP Control Protocol)RFC-3550 STD 0064


55

Internet

Emisor

RTCP

RTCP

Receptor (pasivo)

Receptor (pasivo)

RTCP (RTP Control Protocol)

Informe del receptorNº más alto de secuencia recibido

paquetes perdidos y desordenados, etc.

Mensaje de adiós“Bye” = cerrar el flujo


5656

Envío de paquetes RTP/RTCP

Proceso servidor

RTP RTCP

UDP

IP

Proceso cliente

RTP RTCP

UDP

IP

Nº de puerto = n Nº de puerto = n+1 Nº de puerto = x Nº de puerto = x+1

No existen números de puerto fijos para RTP ni RTCP El primer número de puerto par para RTP y el siguiente impar para RTCP

Internet


5757

Voz sobre IP (Voice over IP o VoIP) y Telefonía sobre IP o Telefonía IP (Telephony over IP o ToIP) en Internet

Ejemplos de servicios en tiempo real interactivos más usados en Internet Objetivo: Utilizar Internet (red de conmutación de paquetes) como una red telefónica (red

de conmutación de circuitos) integrando todo tipo de tráfico en redes IP, aprovechando lacapacidad disponible, y reduciendo costes de cableado

VoIP: Servicio telefónico IP extremo a extremo con teléfonos o terminales IP Desde el teléfono IP se establece la conexión con el otro teléfono IP (protocolo SIP)

Un teléfono IP es un sistema TCP/IP que, aparte de la digitalización de la voz(codificación G.7xx) y señalización de la comunicación (establecer, mantener yliberar una llamada vía protocolo SIP), dispone de sus protocolos RTP-UDP-IP-Ethernet para la encapsulación de un trozo de voz en un paquete IP y,posteriormente, en una trama Ethernet

Desde el origen (teléfono IP) salen datagramas IP con paquetes o streams RTP(trozos de voz de 20 mseg) que se encaminan por Internet o por cualquier red IP

Aplicaciones de Telefonía IP: Skype, VoIPBuster, Jajah, etc. (con sus propios CODEC,algoritmos de compresión/descompresión, SIP y RTP particulares etc.)

ToIP: Servicio telefónico IP extremo a extremo con teléfonos o terminales “no IP”(teléfonos digitales que emplean un CODEC G.7xx o teléfonos analógicosconvencionales) que hacen uso del servicio de VoIP mediante “gateways media” opasarelas que convierten los paquetes IP en señales digitales o analógicas y viceversa


5858

Tres Escenarios de Voz sobre IP (VoIP)y Telefonía IP (ToIP) en Internet

De teléfono IP (o PC con micrófono) a teléfono IP (oPC con micrófono): Datagramas IP con paquetes RTP devoz (VoIP) extremo a extremo De teléfono IP (o PC con micrófono) a teléfono

convencional: Datagramas IP con paquetes RTP de voz(VoIP) hasta el gateway o pasarela que convierte losdatagramas IP en señales analógicas o digitales yviceversa De teléfono digital (o analógico) a teléfono digital (o

analógico): Datagramas IP con paquetes RTP de voz(VoIP) entre los gateways o pasarelas de cada teléfono


5959

Voz sobre IP (VoIP)Micrófono Conectado al PC

VoIP = audio (G.7xx)/(12)RTP/(8)UDP/20(IP)/18+8(Ethernet)

Internet

Aplicación VoIP

Aplicación VoIP

148.100.12.16 220.10.7.1

Micrófono

(al conector USB del PC)

Micrófono

El motivo fundamental del empleo de la tecnología VoIP consiste en integrar todo tipo de tráfico en redes IP, aprovechando la capacidad disponible, y

reduciendo los costes de cableado


6060

Voz sobre IP (VoIP)Teléfono IP


InternetVoIP

148.100.12.16 220.10.7.1

Teléfono IP Teléfono IPVoIP

El motivo fundamental del empleo de la tecnología VoIP consiste en integrar todo tipo de tráfico en redes IP aprovechando la capacidad disponible y

reduciendo los costes de cableado


6161

Internet

…

…

…

…

…

…

…

…Teléfono

IP

TeléfonoIP

TeléfonoIP

TeléfonoIP

Ejemplo de una RAL Ethernet actual de una Organización para la Integración de Voz (VoIP) y Datos por un único cableado

Teléfonos IP actuando como Conmutadores Ethernet

(Switch)

(Switch)

(Switch)(Switch)

Datagramas IP(Voz y Datos)

Switch

SwitchSwitchRouter

RAL Ethernet de difusión mediante conmutación de tramas

Un único cableado para voz y datos

VoIP

VoIP

VoIPVoIP


6262

Escenario conjunto de VoIP y Telefonía IP

Teléfono analógico

IP

Micrófono

Sistema de Señalización

(ITU-T)

GATEWAYMEDIA

Convierte la señal analógica/digitalen un flujo de datagramas IP

y viceversa entre PC y teléfono

SS7/RTC/RDSI


Teléfonodigital

Norma CODEC

PC

PC

UMTS

móviles

Teléfono IP

Teléfono IP

VoIP

VoIP

Micrófono

VoIP

VoIP

Desde el origen (teléfono digital) sale una señal digital o PCM (pulsos digitales) hasta elgateway o pasarela

Desde el origen (teléfono analógica) sale una señal analógica hasta el gateway o pasarela

Paquetes IP

Señales Digitales y analógicas


63

Arquitectura de Protocolos de las Pasarelas para Teléfonos Convencionales Digitales

Teléfono DigitalCODEC PCM

Encapsula/desencapsula20 mseg de voz

en cada paquete IP

GATEWAY MEDIACON PROCESADOR DE LLAMADAS

VoIP

Teléfono IP

SIP

TCP o UDP

G711/SIPRTP

UDPIP

Un procesador de llamadas debe estar previamente configurado con las

direcciones IP del resto de gateways y números telefónicos

que cuelgan de dichos gateways

(DOBLE PILA)


6464

Protocolo de Señalización en Internet SIP (Session Initiation Protocol: RFC-3261 y RFC-3265):

Protocolo para el inicio de sesión o conexión del nivel deaplicación, diseñado por el IETF/IAB, para establecer,mantener y finalizar una llamada entre dos:

• Teléfonos IP• Teléfonos “no IP” vía procesadores de llamadas

– Un procesador de llamadas establece la llamadadirectamente con un teléfono IP o con otro gatewaymedia a través del protocolo SIP

– Un procesador de llamadas puede ser interno dentrodel propio “gateway media” o externo al “gatewaymedia” pero conectado al mismo conmutador o switchEthernet al que está conectado el gateway

Sobre TCP o UDP H.323 es el estándar equivalente diseñado por ITU


65

..

SI

RmRsInternet

SmTs1

Internet

RTC

..Fs1

Fs20

Ts20

Ss

Cs1

Cs2

Cm1

Cm3

Cm2Cm4

Fm1Fm20

Fm21Fm40

Tm1

Tm20

Tm40

Tm21

Gs1Gm1

Gm2

P

SEGOVIA

MADRID

NAT NAT

teléfonos ajenos a la empresa

…

192.168.2.10

80.25.210.1

120.40.80.60

192.168.1.21

192.168.4.10192.168.4.11

192.168.4.16

…

…80.25.2.1

192.168.1.40

192.168.3.6

¿trama?

origendestino


6666

Estructura de una trama o unidad de datos de la comunicación en la línea de conexión entre Rs e Internet al establecerse una

comunicación entre los teléfonos Fm40 y Fs1

Cab. Ethernet/Cab. IP del túnel/Cab. IP/Cab. UDP/ Cab. RTP/voz/SVT EthernetCabecera Ethernet

Cabecera IP túnel:D.O.: 80.25.2.1 (Rm)

D.D.: 80.25.210.1 (Rs)Protocolo: IP (5)

Cabecera IP:D.O.: 192.168.4.11 (Gm2)D.D.:192.168.2.10 (Gs1)

Protocolo: UDP (17)Protocolo RTP

Voz G.711SVT Ethernet


6767

•F1… F10 y F11…F20 son teléfonos digitales convencionales que emplean CODEC G.7xx •Cada oficina dispone de un dispositivo Gateway Media (G1 y G2) que convierte la señal digital a paquetes IP y viceversa, encapsulando 20 mseg de voz en cada paquete IP •Cada oficina dispone de un procesador de llamadas (P1 y P2) que establece y termina las llamadas entre los Gateway Media (G1 y G2) mediante el protocolo SIP•Se utiliza, además, en cada oficina otro Conmutador Ethernet (Switch) al que se conectan los dispositivos G y P. A su vez, este conmutador se conecta al router de salida

Integración del tráfico de voz y datos en Internet entre las oficinas de una misma empresa

¿trama?origen destino


6868

Cabecera EthernetCabecera IPv4

Protocolo: UDP (17)Dirección origen: IP privada de G1=192.168.1.xDirección destino:IP privada de G2=192.168.2.y

Cabecera UDPCabecera RTPVoz G.711SVT Ethernet

Estructura de una trama o unidad de datos de la comunicación en la línea de conexión entre C5 y G2 al establecerse una

comunicación entre los teléfonos F1 y F20

I. ARQUITECTURA TCP/IP -...

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