Qualidade de Serviço (QoS)

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Especialização em Redes Convergentes 
Fundamentos de Comunicação e Redes - Prof. Raimir Holanda 
Unidade V 
Qualidade de Serviço (QoS) 
em rede IP 
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Unid. V.I 
Características dos Serviços em termos de 
Tolerância a retardo e Variação a retardo 
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Características dos serviços multimídias 
A Internet comporta uma grande variedade de aplicações multimídias. 
 
Consideram-se três tipos abrangentes de aplicações de multimídia: 
 
• Áudio e vídeo de fluxo contínuo armazenado 
 
• Áudio e vídeo de fluxo contínuo ao vivo 
 
• Áudio e vídeo interativos em tempo real 
 
 Áudio e vídeo interativos em tempo real permite que os usuários 
usem áudio/vídeo para se comunicar entre si em tempo real. 
 
 Voz e vídeo interativos em tempo real impõem rígidas limitações ao 
atraso de pacote e à variação de atraso do pacote. 
 
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Características dos serviços multimídias 
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Fundamentos de Comunicação e Redes - Prof. Raimir Holanda Suscetibilidade das aplicações em relação as métricas clássicas 
(considerando-se a 
confiabilidade como um reflexo das perdas) de QoS. 
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Fundamentos de Comunicação e Redes - Prof. Raimir Holanda Linha de tempo para o atraso nos serviços 
de voz 
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Características de tráfego 
Os tráfegos de dados, voz e vídeo possuem características distintas. 
 
O tráfego de dados, geralmente, é gerado em rajadas, é relativamente pouco 
sensível a atraso, mas é sensível a perdas. 
 
Por outro lado, tráfegos em tempo real, como vídeo e voz, são sensíveis a 
atraso, mas são mais tolerantes a perdas. 
 
Em geral o tráfego de voz não é gerado em rajadas e necessita de pouca 
banda, ao contrário de vídeo, que consome muita banda e geralmente tem o 
tráfego se comportando em rajadas. 
 
Essa diversidade nas características dos tráfegos e conseqüentemente suas 
diferenças na necessidade de QoS indica que os tráfegos devem ser tratados 
de maneira diferenciada e divididos em classes de prioridade que reflitam estes 
atributos. 
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Maioria das redes IP atuais 
• Usa o protocolo IP conforme definido 
originalmente: 
Não suporta QoS (Qualidade de Serviço). 
 
• Adota o modelo de serviço BEST EFFORT: 
O primeiro pacote a chegar será o primeiro a 
ser atendido. 
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Fundamentos de Comunicação e Redes - Prof. Raimir Holanda Futuro das redes IP 
• Futuro: Internet da próxima geração com garantias de 
QoS 
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Objetivos de QoS 
• Redes Convergentes 
• Permitir que uma única tecnologia de rede possa 
ser utilizada para prover todos os tipos de 
serviços. 
 
• SLA (Service Level Agreements) 
• Diferenciar usuários e serviços de acordo com 
contratos pré-estabelecidos. 
 
 
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Objetivos do QoS 
• Controle sobre os recursos 
– Privilegiar aplicações mais importantes (rentáveis) 
na rede. 
 
• Garantir o funcionamento de aplicações sensíveis a 
atraso 
– Por exemplo, evitar que o tráfego Web introduza 
atraso para aplicações de VoIP. 
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Unid. V.2 
Mecanismos de identificação de tráfego em 
uma rede IP 
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Fundamentos de Comunicação e Redes - Prof. Raimir Holanda Oferecendo QoS em Redes IP 
Para a atribuição de prioridade aos tráfegos, estes necessitam 
ser identificados e marcados. 
 
Estas duas tarefas são geralmente referenciadas como 
classificação do tráfego. 
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Fundamentos de Comunicação e Redes - Prof. Raimir Holanda Classificação de tráfego em uma rede IP 
• A identificação dos pacotes é feita de acordo com regras para 
descriminação de fluxo. 
 
• As regras comumente utilizadas são: 
 
• Interface do dispositivo 
 
• IP origem 
• IP destino 
• Tipo de Protocolo 
• TOS (IPv4) 
• Flow Label (IPv6) 
 
• Porta origem 
• Porta destino 
Transporte 
Rede 
Enlace 
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Campo TOS do IPv4: Tipo de Serviço 
Bit 
 
Prioridade 
 
000 
 
Muito Baixa 
 001 
 
Baixa 
 .. 
 
Maximizar confiabilidade 
 
111 
 
Muito Alta 
 
PayLoad IP Header TOS 
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Unid. V.3 
Classes de Serviço 
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Fundamentos de Comunicação e Redes - Prof. Raimir Holanda Diagrama de interações dos conceitos de 
QoS - Usuário e rede 
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Fundamentos de Comunicação e Redes - Prof. Raimir Holanda Classes de atrasos para os serviços de 
Internet (ITU-T) 
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Unid. V.4 
Marcação de Tráfego 
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 Pode ser desejável limitar a taxa de injeção de tráfego em alguma classe 
 
 Usuário declara o perfil de tráfego (ex., taxa e tamanho das rajadas) 
 
 Tráfego é medido e ajustado se não estiver de acordo com o seu perfil 
(regulado) 
 
Classificação de tráfego 
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Marcação de pacote no roteador de borda 
Possíveis marcações: 
 
 Marcação baseada em classe: pacotes de diferentes classes marcados 
de modo diferente 
Pacote é marcado no campo Tipo de Serviço (ToS) no IPv4, e Classe 
de Tráfego no IPv6 
 
 Marcação intraclasse: porção de fluxo em conformidade marcada de 
modo diferente daqueles em não conformidade 
Perfil pré-negociado: taxa e tamanho das rajadas 
 
 Marcação do pacote no roteador de borda baseada no perfil por fluxo 
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Fundamentos de Comunicação e Redes - Prof. Raimir Holanda Classificação de tráfego 
Identificador 
Regulador 
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Unid. V.5 
IntServ e DiffServ 
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Fundamentos de Comunicação e Redes - Prof. Raimir Holanda Padrões do IETF para oferecer QoS 
• Novos padrões estão sendo definidos para 
suportar duas estratégias de QoS, quais 
sejam: 
 
• Serviços integrados (IntServ) 
 
• Serviços diferenciados (DiffServ) 
 
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Padrões do IETF para oferecer QoS 
Preocupações com Intserv: 
 Escalabilidade: sinalização, é difícil manter o estado do roteador 
por fluxo com grande número de fluxos 
 Modelos de serviço flexíveis: Intserv possui apenas duas classes. 
Também quer classes de serviço “qualitativas” “Comporta-se como um fio” 
  Distinção de serviço relativo: Platina, Ouro, Prata 
 
Abordagem Diffserv: 
 Funções simples no núcleo da rede, funções relativamente 
complexas nos roteadores de borda (ou hospedeiros) 
 Não define classes de serviço, fornece componentes funcionais para 
construir classes de serviço 
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Fundamentos de Comunicação e Redes - Prof. Raimir Holanda Serviços integrados Intserv do IETF 
 Arquitetura para prover garantias de QoS em redes IP para sessões 
individuais de aplicações 
 Reserva de recursos: roteadores mantêm informação de estado dos 
recursos alocados, requisições de QoS 
 Admite/recusa novas requisições de estabelecimento de chamada 
Questão: um fluxo recém-chegado pode ser admitido com garantias 
de desempenho enquanto não violar as garantias de QoS feitas aos 
fluxos já admitidos? 
Especialização em Redes Convergentes 
Fundamentos de Comunicação e Redes - Prof. Raimir Holanda Intserv QoS: modelos de serviço 
Serviço garantido: 
 Pior caso de chegada de tráfego: fonte policiada por leaky bucket 
 Simples (matematicamente demonstrável), limitado no atraso 
 
Serviço de carga controlada: 
 “A qualidade do serviço aproxima-se do QoS que o mesmo fluxo 
receberia de um elemento da rede sem carga." 
 
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Roteador de borda: 
 Gerenciamento de tráfego por fluxo 
 Marca os pacotes com no perfil e fora de perfil 
Roteador de núcleo: 
 Gerenciamento de tráfego por classe 
 Armazenamento em buffer e escalonamento baseado na 
marcação na borda 
 Preferência dada aos pacotes no perfil 
 Encaminhamento garantido 
Arquitetura dos serviços deferenciados Diffserv 
Especialização em Redes Convergentes 
Fundamentos de Comunicação e Redes - Prof. Raimir Holanda Classificação de tráfego nos roteadores de 
borda 
Identificador 
Marca com um DS 
(Differenciated Service) 
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Unid. V.6 
Políticas de Qualidade de Serviço (Traffic 
Shapping e Enfileiramento) 
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Qualidade de Serviço - QoS 
• QoS é uma garantia oferecida pela rede que 
certos parâmetros serão mantidos entre níveis 
pré-acordados. 
• Os principais parâmetros de QoS são: 
– Atraso 
– Jitter: variação no Atraso 
– Taxa de transmissão 
– Taxa de Perda de Pacotes 
Especialização em Redes Convergentes 
Fundamentos de Comunicação e Redes - Prof. Raimir Holanda Equipamentos e componentes de rede 
envolvidos na Qualidade de Serviço (QoS) 
 
 
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 A QoS é garantida pela rede, seus componentes e 
equipamentos utilizados. 
 
 Do ponto de vista dos programas de aplicação, a QoS 
é tipicamente expressa e solicitada em termos de uma 
"Solicitação de Serviço" ou "Contrato de Serviço". 
 
 A solicitação de QoS da aplicação é denominada 
tipicamente de SLA (Service Level Agreement). 
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Qualidade de Serviço (QoS) 
 
Internet 
 
 
QoS em Enlace 
QoS na Camada de Rede 
QoS na Camada de Transporte 
QoS na Camada de Aplicação 
QoS refere-se a capacidade 
de criar um caminho com 
banda e tempo de atraso 
garantidos entre dois pontos 
da rede. 
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QoS: Rede ou Enlace? 
• Na camada de Enlace: 
• Redes Síncronas: 
• SDH (combinação de canais de banda 
constante) 
– Redes Assíncronas: 
• ATM: Permite Reservar Recursos 
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QoS: Rede ou Enlace? 
• Na camada de rede: 
• IP: Permite implementar a qualidade de 
serviço fim a fim independente da 
tecnologia de enlace. 
• Implementado com ou sem sinalização. 
 
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Princípios para garantias de QoS 
 Exemplo: 1 Mbps para 
telefonia IP, FTP compartilha 
um enlace de 1,5 Mbps 
 Rajadas de FTP podem 
congestionar o roteador, 
causando perda de áudio 
 Quer dar prioridade ao áudio 
sobre FTP 
Princípio 1 
Marcação dos pacotes é necessária para o roteador distinguir entre 
diferentes classes; assim como novas regras de roteamento para tratar 
os pacotes apropriadamente. 
Especialização em Redes Convergentes 
Fundamentos de Comunicação e Redes - Prof. Raimir Holanda Princípios para garantias de QoS 
 Aplicações malcomportadas (áudio 
envia pacotes numa taxa superior à 
taxa declarada) 
  Policiamento: força as fontes a 
aderirem às alocações de largura de 
banda 
 Marcação e policiamento na borda da 
rede 
Princípio 2 
Fornecer proteção (isolação) para 
uma classe em relação às demais. 
Especialização em Redes Convergentes 
Fundamentos de Comunicação e Redes - Prof. Raimir Holanda Princípios para garantia de QoS 
 Alocando largura de banda fixa 
(não compartilhável) para o fluxo: 
uso ineficiente da banda se o 
fluxo não usar sua alocação 
Princípio 3 
Embora fornecendo isolação, é 
necessário usar os recursos da 
forma mais eficiente possível. 
Especialização em Redes Convergentes 
Fundamentos de Comunicação e Redes - Prof. Raimir Holanda Princípios para garantia de QoS 
 Fato básico de vida: não pode suportar demandas de tráfego além 
da capacidade do enlace 
Princípio 4 
Admissão de chamada: fluxo declara suas necessidades, a rede 
pode bloquear a chamada (ex., sinal de ocupado) se ela não puder 
encontrar as necessidades. 
Especialização em Redes Convergentes 
Fundamentos de Comunicação e Redes - Prof. Raimir Holanda Resumo dos princípios de QoS 
QoS para aplicações em redes 
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A seguir veremos os mecanismos para alcançar isso …. 
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Arquiteturas para QoS 
• As arquiteturas de QoS envolvem 3 elementos: 
 
1. Técnicas para implementar QoS em um nó da rede. 
 
2. Técnicas de sinalização de QoS, para informar aos vários nós 
da rede como proceder na passagem de um fluxo. 
 
3. Funções para gerenciamento, política e contabilização do QoS 
de uma rede como um todo. 
Especialização em Redes Convergentes 
Fundamentos de Comunicação e Redes - Prof. Raimir Holanda Mecanismos de escalonamento 
 Escalonamento: escolhe o próximo pacote para enviar no enlace 
 
 Escalonamento FIFO (first in first out): envia em ordem de chegada para a fila 
 
 Exemplo do mundo real? 
 Política de descarte: se o pacote chega e a fila está cheia: quem descartar? 
 Descarta extremidade: descarta pacote que chega 
 Prioridade: descarta/remove com base em prioridade 
 Aleatório: descarta/remove aleatoriamente 
Especialização em Redes Convergentes 
Fundamentos de Comunicação e Redes - Prof. Raimir Holanda Enfileiramento FIFO 
• Trata as variações de tráfego através de uma fila, mas não 
utiliza nenhumtipo de prioridade 
• Modelo Best-Effort 
FILA INTERNA NO ROTEADOR 
LINK A 
(rede local: 100 
Mbps) 
LINK B 
(rede WAN: 1 Mbps) 
LINK A > LINK B 
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Fundamentos de Comunicação e Redes - Prof. Raimir Holanda Enfileiramento com Prioridade 
Fila de saída 
Especialização em Redes Convergentes 
Fundamentos de Comunicação e Redes - Prof. Raimir Holanda Weighted fair queuing (WFQ) 
(Enfileiramento justo ponderado) 
• Efetua classificação do tráfego por fluxo 
– Endereço IP de origem e destino 
– Portas de origem e destino 
– Tipo de protocolo 
• Os fluxos são armazenados num número configurável de 
filas 
– Fluxos de baixo volume, que são a grande maioria do tráfego, 
recebem um serviço preferencial. 
– Fluxos de alto volume, dividem o restante da banda de maneira 
proporcional entre eles. 
Especialização em Redes Convergentes 
Fundamentos de Comunicação e Redes - Prof. Raimir Holanda Weighted fair queuing (WFQ) 
(Enfileiramento justo ponderado) 
Especialização em Redes Convergentes 
Fundamentos de Comunicação e Redes - Prof. Raimir Holanda DiffServ apresentado em blocos funcionais 
Especialização em Redes Convergentes 
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Unid. V.7 
Controle e Inibição de Congestionamento 
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Técnicas para Evitar Congestionamento 
• Limitam o tamanho da filas através de um descarte 
preventivo. 
• RED: Randon Early Detection 
– Descarte randômico assim que o tamanho da fila atinge 
um limiar pré-definido. 
• WRED: RED ponderado 
– Leva em conta as informações de prioridade do campo TOS 
dos pacotes IP. 
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RED 
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Fundamentos de Comunicação e Redes - Prof. Raimir Holanda Em resumo 
Estruturas e tecnologias auxiliares para prover QoS em redes IP 
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Obrigado pela atenção !