ARTIGO Um serviço de detecção de falhas com QoS auto ajustável para múltiplas aplicações simultâneas

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CENTRO UNIVERSITÁRIO DE BRASÍLIA - UniCEUB
CURSO DE ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO
Utilização de QoS em redes de computadores
Prof. MSc Marco Antônio de Oliveira Araújo
Pedro Chagas Pestana RA: 2096101/1
Resumo 
Palavras-chave: RFC, SNMP, TCP, Internet, redes de computadores,
Abstract
Key words: RFC, SNMP, TCP, Internet, redes de computadores,
INTRODUÇÃO
Tema: 
Nesse artigo será mostrado como a adoção do QoS – Qualidade do Serviço – promove melhorias na prestação de serviços de TI com enfoque em redes. Esse conceito pode ser utilizado em diferentes áreas, desde administração até gestão de redes de computadores. No caso, serão citados alguns conceitos de ISO, Sistemas Multimídia Distribuídos, ITIL e de Redes de computadores.
Sendo que alguns parâmetros definem as necessidades de cada aplicação, como medida da largura de banda, atrasos de pacotes e perdas de pacotes essenciais. Serão apresentados algoritmos utilizados comumente para definir algumas formas de alcançar a Qualidade de Serviço requerida pela distribuição de pacotes.
Em síntese, objetiva-se elucidar sobre a aplicabilidade de QoS para melhoria de serviços de TI com enfoque em redes.
Garantia de largura de banda
Revisão de literatura
A qualidade do serviço para o natureza do serviço de entrega de pacotes fornecido, de acordo com os parâmetros de largura de banda atingida, atraso de pacote, e a perda de pacotes taxas. Comumente, a Internet oferece uma única qualidade de serviço, entrega do tipo best-effort, com a largura de banda disponível e atraso dependentes da carga instantânea. O controle da qualidade do serviço por aplicações exerce-se pelo adequado provisionamento da infraestrutura de rede. Em contrapartida, uma rede com a qualidade de serviço dinamicamente controlados permite que aplicação com sessões individuais de aplicações solicitem a entrega de pacotes de rede características de acordo com suas necessidades percebidas, e pode fornecer diferentes qualidades de serviço para diferentes aplicações. Existe uma gama de possibilidades úteis entre os dois pontos de destino sem o controle dinâmico de QoS, e outra gama com um controle extremamente preciso e acurado de parâmetros de QoS. (SHENKER. S. WROCLAWSKI, 1997)
Por designar a capacidade de fornecer um serviço conforme às exigências em matéria de tempos de resposta e de banda concorrida, aplicado às redes de comutação de pacotes, a Qualidade de Serviço (QoS) garante um nível aceitável de perda de pacotes para o uso dos dados tanto de vozes em IP, videoconferência, entre outros, definido contratualmente. (PILLOU, 2016)
Qualidade de serviço (QoS) é um dos tópicos mais confusos e difíceis de definir em redes de computadores atualmente (FERGUSON, 1998). Em diversas áreas o QoS pode ser aplicado como detalhado abaixo:
Para ISO: QoS é definida como o efeito coletivo do desempenho de um serviço, o qual determina o grau de satisfação de um usuário do serviço (ISO/IEC DIS,1995).
Para Sistemas Multimídia Distribuídos: A QoS pode ser definida como a representação do conjunto de características qualitativas e quantitativas de um sistema multimídia distribuído, necessário para alcançar a funcionalidade de uma aplicação (VOGEL, 1995).
Para ITIL: a Qualidade dos serviços é definida pelos SLAs (acordos de nível de serviço) e o próprio Serviço, sendo mantida pela entrega e manutenção dos requisitos. A geração de valor baseado no alinhamento das necessidades e a prestação do serviço, que possibilitam a alavancagem da contribuição da área de TI na geração de valor para a organização. (MAGALHÃES, 2007). Para ITIL, o Serviço é um meio de entregar Valor ao cliente ao facilitar as saídas requeridas por este, sem onerá-lo com riscos e custos específicos. Utiliza-se essa definição para Serviço principal, Serviço de TI ou pacote de serviço. O valor do serviço é definido pela combinação de Utilidade e Garantia: a primeira é a funcionalidade oferecida por um produto ou serviço atender uma necessidade particular/requerida; e a segunda é a disponibilidade de um serviço a partir da necessidade, dentro dos SLAs definidos para manutenção da continuidade e segurança com as capacidade e confiabilidade requeridas. (HANNA, 2012). 
Para Redes de Computadores: QoS é utilizado para definir o desempenho de uma rede relativa às necessidades das aplicações, e o conjunto de tecnologias que possibilita às redes oferecer garantias de desempenho (TEITELMAN, 1998). Em um ambiente compartilhado de rede, QoS está intrinsecamente relacionada à reserva de recursos, a qual é realizada pela agregação de fluxos ou sob demanda para fluxos individuais. Entretanto, a QoS pode ser interpretada como um método para oferecer alguma forma de tratamento preferencial para determinada quantidade de tráfego da rede. Em outra definição, QoS é vista como a capacidade de um elemento de rede ter algum nível de garantia de que seus requisitos de serviço e tráfego podem ser satisfeitos (STARDUST, 1999).
As definições de QoS são variadas pela junção de dois termos amplos, Qualidade e Serviço. Em redes de computadores, os conceitos se diferem entre tráfego e tipos de serviços, para que o usuário possa tratar uma ou mais classes de tráfego diferente das demais. (FERGUSON,1995), (CROLL,1992): Classes de Serviço (CoS) diferenciados e a mais genérica e ambígua Qualidade de Serviço (QoS).
Para restringir a capacidade de fornecimento do serviço ponto a ponto ou fim-a-fim, proveniente de uma rede, com o tráfego de dados dentro das exigências, têm-se os Acordos de Nível de Serviço (SLA, em inglês), subdivididos em três níveis: (i) Best Effort ou lack of QoS (melhor esforço / Falta de QoS), sem diferenciação entre vários fluxos redes e não permite garantia; (ii) Soft QoS ou differenciated service (serviço diferenciado), o qual permite a definição prioridade para os diferentes fluxos rede, sem garantia estrita. (iii) Hard QoS ou guaranteed service (Serviço garantido), este consiste em reservar recursos rede para certos tipos de fluxos. O principal mecanismo utilizado para obter tal nível de serviço é o RSVP (Resource reSerVation Protocol), o Protocolo de reserva de recursos).
Critérios de qualidade de serviço
Escopo: define os limites do serviço de QoS
Modelo de Controle: descreve características relacionadas ao gerenciamento das
requisições (pedidos) de QoS: Granularidade, Duração e Local de controle
Granularidade: um pedido pode ser para um único fluxo entre sistemas finais, ou
então para uma agregação de fluxos de uma rede inteira.
Duração: as requisições de QoS podem variar muito com relação à duração dos níveis de QoS solicitados (minutos, horas, dias, semanas, meses).
Local de controle: independente do escopo de QoS, um pedido pode ser controlado pelo sistema final, ou por algum sistema intermediário (proxy).
Garantia de Transmissão: Combinação das métricas: Atraso, variação de atraso (jitter) e Largura de Banda (bandwidth)
Os principais critérios que permitem apreciar a qualidade de serviço são os seguintes:
Bandwidth – Largura de banda: define o volume máximo de informação (bits) por unidade de tempo.
Jitter – Variação do Atraso: representa a flutuação do sinal numérico, no tempo ou em fase. Todos os sistemas digitais são sincronizados por intermédio de um relógio (clock). Os pulsos do relógio coordenam o armazenamento e o envio das informações através do meio de comunicação. Se o relógio do equipamento de origem não estiver sincronizado com o destino, os bits chegarão um pouco mais cedo ou mais tarde que o esperado. Assim o jitter é um desvio ou deslocamento de algum aspecto dos pulsos de um sinal digital. O desvio pode ocorrer em termos de amplitude, do tempo da fase ou extensão do pulso do sinal. Entre as causas do jitter estão a interferência eletromagnética (EMI) e a interferência com outros sinais (diafonia). O jitter pode ser resolvido com uma série de sincronizações de relógio complicadas, incluindo sincronizações de hardware e software ou protocolos. (PINHIERO, 2004)
Delay – Latência, prazoou tempo de resposta: caracteriza o atraso entre a emissão e a recepção de um pacote. Em uma rede de computadores, a latência, também conhecida como atraso, representa a expressão do tempo necessário para um pacote de dados ir de um ponto para outro. Em outras palavras, é a referência a qualquer atraso ou espera que aumente o tempo de resposta real ou percebido além do tempo de resposta desejado. Em alguns casos, a latência é medida enviando-se um pacote que é devolvido ao remetente e o tempo completo desse percurso é considerado como latência. A hipótese sobre latência indica que os dados devem ser transmitidos instantaneamente entre um ponto e outro, ou seja, sem nenhum tipo de atraso. A teoria da relatividade de Einstein afirma que "nada pode viajar mais rápido que a velocidade da luz no vácuo (3,0 x 108 metros/segundo)". Os sinais de rede em meio metálico trafegam a uma velocidade no intervalo de 1,9x108 m/s a 2,4x108 m/s. Os sinais de rede em fibra óptica trafegam a aproximadamente 2,0x108 m/s. Então, para trafegar qualquer distância, o bit leva pelo menos um pequeno intervalo de tempo para chegar ao seu destino. Os fatores que contribuem para a latência de uma rede incluem: 
Propagação: Tempo necessário para um pacote de dados se deslocar de um ponto da rede ao outro, na velocidade da luz; 
Transmissão: Como citado, o próprio meio de transmissão introduz algum atraso. Um pacote maior necessita de mais tempo para ser recebido e devolvido do que um pacote pequeno; 
Equipamentos: Cada nó da rede introduz um atraso ao examinar/encaminhar um pacote de dados através da rede; Uma solução para o problema da latência está na utilização planejada dos dispositivos de interconexão de redes, no uso de diferentes estratégias de codificação e protocolos de várias camadas. (BALTIMIR, 2016)
Packet loss – Perda de pacote: corresponde à não entrega de um pacote de dados, a maior parte do tempo devido a uma obstrução na rede.
Desequencing: trata-se de uma modificação na ordem de chegada dos pacotes, afim de enfileira-los para melhor distribuição (queuing). (PINHIERO, 2004)
Dispersão
A dispersão ocorre quando o sinal aumenta em tempo. É causada pelo tipo de meios de transmissão envolvidos. Se for muito intensa, um bit de informação pode interferir no próximo bit e confundi-lo com os bits anteriores e posteriores. A dispersão pode ser resolvida com um projeto de cabeamento apropriado, limitando o comprimento dos cabos e encontrando a impedância apropriada. Em fibras ópticas, a dispersão pode ser controlada pelo uso do laser de um comprimento de onda específico. Para comunicações sem fio, a dispersão pode ser minimizada pelas freqüências usadas para transmissão.
Uma das maneiras de alcançar o QoS (Quality of Service) requerido é o por meio de encaminhamento de pacotes, através do agrupamento destes em categorias de tráfego distintas denominadas Classes. Estas podem conter um único fluxo ou a agregação de múltiplas instâncias de um fluxo (Cisco System Inc., 1999). O tratamento diferenciado nos pacotes pode ser empregado para criar serviços. Um serviço está associado às necessidades das aplicações como largura de banda, atraso, variação do atraso ou jitter e taxa de perda de pacotes. A largura de banda define a capacidade de transmissão de dados de um canal de comunicação, enquanto o atraso é o tempo decorrido entre o envio de uma mensagem e sua recepção no nó destino (Cisco System Inc., 1999). Em redes de pacotes, a variação do atraso é uma distorção nos tempos de chegada entre pacotes comparados aos tempos originais de transmissão, enquanto que a taxa de perda de pacotes representa o percentual de pacotes que foram transmitidos, mas não chegaram ao destino em um determinado período de tempo. (Cisco System Inc., 1999)
Apresentação dos algoritmos dependendo dos requerimentos de QoS:
Critérios de inclusão e exclusão:
Bibliográfica!
Desenvolvimento
Algoritmos de Escalonamentos de Requisição 
Escalabilidade e Desempenho Escalabilidade e Desempenho Várias Alternativas de Algoritmos Várias Alternativas de Algoritmos Balaceamento X Compartilhamento Balaceamento X Compartilhamento Centralizado X DistribuídoCentralizado X Distribuído 
Algoritmos de Escalonamentos de Requisição Aleatório 
Aleatório:Todas requisições tem a mesma probabilidade de distribuiçãoTodas requisições tem a mesma probabilidade de distribuição 
Round Robin: Round Robin Lista Circular Lista Circular WFQ 
(Weighted Fair Queue) WFQ (Weighted Fair Queue) Lista Circular com prioridades para as classes de usuárioLista Circular com prioridades para as classes de usuário SQF (Shortest Queue First) SQF (Shortest Queue First) Análise da fila de processosAnálise da fila de processos 
Random Early Detection: FIFO, Buffer management
Traffic shaping
Leaky Bucket Algorithm
Token Bucket Algorithm
Delay BOunds (WFQ)
Parekh-Gallagher theorem
Integrate Services
Call Admission
Differentiated Services
	
	Intserv
	Diffserv
	Granularity of service differentiation
	Individual Flow
	Aggregate of flows
	State in routers(e.g. scheduling, buffer management)
	Per Flow
	Per Aggregate
	Traffic Classification Basis
	Several header fields
	DS Field
	Type of service differentiation
	Deterministic or statistical guarantees 
	Absolute or relative assurance
	Admission Control
	Required
	Required for absolute differentiation 
	Signaling Protocol
	Required(RSVP)
	Not required for relative schemes
	Coordination for service differentiation
	End-to-End
	 Local (Per-Hop)
	Scope of Service Differentiation
	A Unicast or Multicast path
	Anywhere in a Network or in specific paths
	Scalabilty
	Limited by the number of flows
	Limited by the number of classes of service
	Network Accounting
	Based on flow characteristics and QoS requirement
	Based on class usage
	Network Management
	Similar to Circuit Switching networks
	Similar to existing IP networks
	Interdomain deployment
	Multilateral Agreements
	Bilateral Agreements
Conclusão