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Tutorial de vídeo – técnicas de implementação de QoS
Clique em Reproduzir para obter uma visão geral da classificação, marcação, limites de confiança, prevenção de congestionamento, modelagem e policiamento.
Evitando a perda de pacotes
Agora que você aprendeu sobre as características de tráfego, algoritmos de enfileiramento e modelos de QoS, é hora de aprender sobre as técnicas de implementação de QoS.
Vamos começar com a perda de pacotes. A perda de pacotes geralmente é o resultado de congestionamento em uma interface. A maioria dos aplicativos que usam TCP apresentam lentidão porque o TCP se ajusta automaticamente ao congestionamento da rede. Segmentos TCP eliminados fazem com que as sessões TCP reduzam o tamanho das janelas. Alguns aplicativos não usam TCP e não podem lidar com quedas (fluxos frágeis).
As seguintes abordagens podem evitar quedas em aplicativos confidenciais:
- Aumente a capacidade do link para facilitar ou evitar congestionamentos.
- Garanta largura de banda suficiente e aumente o espaço de buffer para acomodar picos de tráfego de fluxos frágeis. WFQ, CBWFQ e LLQ podem garantir largura de banda e fornecer encaminhamento priorizado para aplicativos sensíveis a quedas.
- Elimine os pacotes de prioridade mais baixa antes que ocorra o congestionamento. O Cisco IOS QoS fornece mecanismos de enfileiramento, como detecção precoce aleatória ponderada (WRED), que começam a descartar pacotes de prioridade mais baixa antes que ocorra o congestionamento.
Ferramentas QoS
Existem três categorias de ferramentas de QoS, conforme descrito na tabela:
- Ferramentas de classificação e marcação
- Ferramentas de prevenção de congestionamento
- Ferramentas de gerenciamento de congestionamento
Ferramentas para implementação de QoS
| Ferramentas QoS | Descrição |
|---|---|
| Ferramentas de classificação e marcação | As sessões ou fluxos são analisados para determinar a que classe de tráfego pertencem. Quando a classe de tráfego é determinada, os pacotes são marcados. |
| Ferramentas de prevenção de congestionamento | As classes de tráfego são partes alocadas de recursos de rede, conforme definido pela política de QoS. A política de QoS também identifica como algum tráfego pode ser descartado, atrasado ou remarcado seletivamente para evitar congestionamento. A principal ferramenta de prevenção de congestionamento é WRED e é usada para regular o tráfego de dados TCP de maneira eficiente em termos de largura de banda antes que ocorram quedas de cauda causadas por estouros de fila. |
| Ferramentas de gerenciamento de congestionamento | Quando o tráfego excede os recursos de rede disponíveis, o tráfego é enfileirado para aguardar a disponibilidade de recursos. As ferramentas comuns de gerenciamento de congestionamento baseadas no Cisco IOS incluem algoritmos CBWFQ e LLQ. |
Consulte a figura para ajudar a entender a sequência de como essas ferramentas são usadas quando o QoS é aplicado aos fluxos de pacotes.
Sequência de QoS
Conforme mostrado na figura, os pacotes de entrada (quadrados cinza) são classificados e seus respectivos cabeçalhos IP são marcados (quadrados coloridos). Para evitar congestionamento, os pacotes são então alocados recursos com base em políticas definidas. Os pacotes são então enfileirados e encaminhados para fora da interface de saída com base em sua configuração de QoS e política de vigilância definidas.
Nota: A classificação e a marcação podem ser feitas na entrada ou saída, enquanto outras ações de QoS, como enfileiramento e modelagem, geralmente são feitas na saída.
Classificação e Marcação
Antes que um pacote possa ter uma política de QoS aplicada a ele, o pacote deve ser classificado. A classificação e a marcação nos permitem identificar ou “marcar” os tipos de pacotes. A classificação determina a classe de tráfego à qual os pacotes ou quadros pertencem. Somente depois que o tráfego for marcado, as políticas podem ser aplicadas a ele.
Como um pacote é classificado depende da implementação de QoS. Os métodos de classificação dos fluxos de tráfego nas camadas 2 e 3 incluem o uso de interfaces, ACLs e mapas de classes. O tráfego também pode ser classificado nas camadas 4 a 7 usando Network Based Application Recognition (NBAR).
Nota: NBAR é um recurso de classificação e descoberta de protocolo do software Cisco IOS que funciona com recursos de QoS. NBAR está fora do escopo deste curso.
Marcação significa que estamos adicionando um valor ao cabeçalho do pacote. Os dispositivos que recebem o pacote examinam o campo marcado para ver se ele corresponde a uma política definida. A marcação deve ser feita o mais próximo possível do dispositivo de origem. Isso estabelece o limite de confiança.
Como o tráfego é marcado geralmente depende da tecnologia. A tabela na figura descreve alguns dos campos de marcação usados em várias tecnologias. A decisão de marcar o tráfego nas camadas 2 ou 3 (ou em ambas) não é trivial e deve ser feita após a consideração dos seguintes pontos:
- A marcação de quadros da camada 2 pode ser executada para tráfego não IP.
- A marcação de quadros da Camada 2 é a única opção de QoS disponível para switches que não reconhecem “IP”.
- A marcação da camada 3 carregará as informações de QoS de ponta a ponta.
Marcação de tráfego para QoS
| Ferramentas QoS | Camada | Campo de Marcação | Largura em bits |
|---|---|---|---|
| Ethernet (802.1Q, 802.1p) | 2 | Class of Service (CoS) | 3 |
| 802.11 (Wi-Fi) | 2 | Wi-Fi Traffic Identifier (TID) | 3 |
| MPLS | 2 | Experimental (EXP) | 3 |
| IPv4 e IPv6 | 3 | IP Precedence (IPP) | 3 |
| IPv4 e IPv6 | 3 | Differentiated Services Code Point (DSCP) | 6 |
Marcação na camada 2
802.1Q é o padrão IEEE que oferece suporte à marcação de VLAN na camada 2 em redes Ethernet. Quando 802.1Q é implementado, dois campos são adicionados ao quadro Ethernet. Conforme mostrado na figura, esses dois campos são inseridos no quadro Ethernet após o campo de endereço MAC de origem.
Valores de classe de serviço (CoS) Ethernet
O padrão 802.1Q também inclui o esquema de priorização de QoS conhecido como IEEE 802.1p. O padrão 802.1p usa os três primeiros bits no campo Tag Control Information (TCI). Conhecido como campo de Prioridade (PRI), este campo de 3 bits identifica as marcações de Classe de Serviço (CoS). Três bits significam que um quadro Ethernet da Camada 2 pode ser marcado com um dos oito níveis de prioridade (valores 0-7) conforme exibido na figura.
Valores de classe de serviço (CoS) Ethernet
| Valor CoS | Valor binário CoS | Descrição |
|---|---|---|
| 0 | 000 | Dados de melhor esforço |
| 1 | 001 | Dados de média prioridade |
| 2 | 010 | Dados de alta prioridade |
| 3 | 011 | Sinalização de Chamada |
| 4 | 100 | Vídeo conferência |
| 5 | 101 | Portadora de voz (tráfego de voz) |
| 6 | 110 | Reservado |
| 7 | 111 | Reservado |
Marcação na camada 3
IPv4 e IPv6 especificam um campo de 8 bits em seus cabeçalhos de pacote para marcar os pacotes. Conforme mostrado na figura, IPv4 e IPv6 suportam um campo de 8 bits para marcação: o campo Tipo de serviço (ToS) para IPv4 e o campo Classe de tráfego para IPv6.
Cabeçalhos de pacotes IPv4 e IPv6
Tipo de serviço e campo de classe de tráfego
O tipo de serviço (IPv4) e a classe de tráfego (IPv6) carregam a marcação do pacote conforme atribuído pelas ferramentas de classificação de QoS. O campo é então referido por dispositivos receptores que encaminham os pacotes com base na política de QoS atribuída apropriada.
A figura exibe o conteúdo do campo de 8 bits. No RFC 791, o padrão IP original especificava o campo IP Precedence (IPP) a ser usado para marcações de QoS. No entanto, na prática, esses três bits não fornecem granularidade suficiente para implementar QoS.
O RFC 2474 substitui o RFC 791 e redefine o campo ToS renomeando e estendendo o campo IPP. O novo campo, conforme mostrado na figura, possui 6 bits alocados para QoS. Chamados de campo Ponto de código de serviços diferenciados (DSCP), esses seis bits oferecem no máximo 64 classes de serviço possíveis. Os dois bits de notificação de congestionamento explícito de IP (ECN) restantes podem ser usados por roteadores com reconhecimento de ECN para marcar pacotes em vez de descartá-los. A marcação ECN informa aos roteadores downstream que há congestionamento no fluxo de pacotes.
Valores DSCP
Os 64 valores DSCP são organizados em três categorias:
- Best-Effort (BE) – Este é o padrão para todos os pacotes IP. O valor de DSCP é 0. O comportamento por salto é o roteamento normal. Quando um roteador passa por congestionamento, esses pacotes são descartados. Nenhum plano de QoS foi implementado.
- Expedited Forwarding (EF) – RFC 3246 define EF como o valor decimal DSCP 46 (binário 101110). Os primeiros 3 bits (101) mapeiam diretamente para o valor 5 de CoS da camada 2 usado para tráfego de voz. Na camada 3, a Cisco recomenda que o EF seja usado apenas para marcar pacotes de voz.
- Assured Forwarding (AF) – RFC 2597 define AF para usar os 5 bits DSCP mais significativos para indicar filas e preferência de descarte. A definição de AF é ilustrada na figura.
Valores de Encaminhamento Garantido
A fórmula AFxy é especificada da seguinte forma:
- Os primeiros 3 bits mais significativos são usados para designar a classe. A classe 4 é a melhor fila e a classe 1 é a pior fila.
- O 4º e o 5º bits mais significativos são usados para designar a preferência de queda.
- O 6º bit mais significativo é definido como zero.
Por exemplo, AF32 pertence à classe 3 (binário 011) e tem uma preferência de queda média (binário 10). O valor DSCP completo é 28 porque você inclui o 6º bit 0 (binário 011100).
Class Selector Bits
Como os primeiros 3 bits mais significativos do campo DSCP indicam a classe, esses bits também são chamados de bits Seletor de Classe (CS). Esses 3 bits mapeiam diretamente para os 3 bits do campo CoS e do campo IPP para manter a compatibilidade com 802.1p e RFC 791, conforme mostrado na figura.
Camada 2 CoS e Camada 3 ToS
A tabela na figura mostra como os valores de CoS são mapeados para os seletores de classe e o valor DSCP de 6 bits correspondente. Esta mesma tabela pode ser usada para mapear valores IPP para os Seletores de Classe.
Mapeando CoS para seletores de classe em DSCP
Limites de confiança
Onde as marcações devem ocorrer? O tráfego deve ser classificado e marcado tão próximo de sua origem quanto técnica e administrativamente viável. Isso define o limite de confiança, conforme mostrado na figura.
- Os endpoints confiáveis têm os recursos e a inteligência para marcar o tráfego do aplicativo para os valores apropriados de Layer 2 CoS e / ou Layer 3 DSCP. Exemplos de terminais confiáveis incluem telefones IP, pontos de acesso sem fio, gateways e sistemas de videoconferência, estações de conferência IP e muito mais.
- Os endpoints seguros podem ter o tráfego marcado no switch da Camada 2.
- O tráfego também pode ser marcado em switches / roteadores da Camada 3.
Remarcar o tráfego, por exemplo, remarcar valores de CoS para valores de IP precedente ou DSCP, é normalmente necessário.
Vários limites de confiança
Prevenção de congestionamento
O gerenciamento de congestionamento inclui métodos de enfileiramento e agendamento em que o tráfego em excesso é armazenado em buffer ou enfileirado (e às vezes descartado) enquanto espera para ser enviado por uma interface de saída. As ferramentas de prevenção de congestionamento são mais simples. Eles monitoram as cargas de tráfego de rede em um esforço para antecipar e evitar congestionamento na rede comum e gargalos entre redes antes que o congestionamento se torne um problema. Essas ferramentas podem monitorar a profundidade média da fila, conforme representado na figura. Quando a fila está abaixo do limite mínimo, não há quedas. Conforme a fila é preenchida até o limite máximo, uma pequena porcentagem de pacotes é descartada. Quando o limite máximo é ultrapassado, todos os pacotes são descartados.
Mecanismos de Prevenção de Congestionamento
Algumas técnicas de prevenção de congestionamento fornecem tratamento preferencial para os pacotes que serão descartados. Por exemplo, o Cisco IOS QoS inclui detecção precoce aleatória ponderada (WRED) como uma possível solução para evitar congestionamento. O algoritmo WRED permite evitar o congestionamento nas interfaces de rede, fornecendo gerenciamento de buffer e permitindo que o tráfego TCP diminua ou diminua antes que os buffers se esgotem. Usar o WRED ajuda a evitar quedas de cauda e maximiza o uso da rede e o desempenho do aplicativo baseado em TCP. Não há como evitar congestionamento para tráfego baseado em UDP (User Datagram Protocol), como tráfego de voz. No caso de tráfego baseado em UDP, métodos como enfileiramento e técnicas de compactação ajudam a reduzir e até mesmo prevenir a perda de pacotes UDP.
Modelagem e Policiamento
A modelagem de tráfego e o policiamento de tráfego são dois mecanismos fornecidos pelo software Cisco IOS QoS para evitar o congestionamento.
A modelagem de tráfego retém os pacotes em excesso em uma fila e, a seguir, programa o excesso para transmissão posterior em incrementos de tempo. O resultado da modelagem de tráfego é uma taxa de saída de pacote suavizada, conforme mostrado na figura.
Exemplo de modelagem de tráfego
A modelagem implica a existência de uma fila e de memória suficiente para armazenar pacotes atrasados em buffer, enquanto o policiamento não.
Certifique-se de ter memória suficiente ao ativar a modelagem. Além disso, a modelagem requer uma função de agendamento para transmissão posterior de quaisquer pacotes atrasados. Esta função de agendamento permite que você organize a fila de modelagem em diferentes filas. Exemplos de funções de agendamento são CBWFQ e LLQ.
Moldar é um conceito externo; os pacotes que saem de uma interface são enfileirados e podem ser modelados. Em contraste, o policiamento é aplicado ao tráfego de entrada em uma interface. Quando a taxa de tráfego atinge a taxa máxima configurada, o tráfego em excesso é descartado (ou remarcado).
O policiamento é comumente implementado por provedores de serviços para fazer cumprir uma taxa contratada de informações do cliente (CIR). No entanto, o provedor de serviço também pode permitir o estouro no CIR se a rede do provedor de serviço não estiver atualmente com congestionamento.
Exemplo de policiamento de tráfego
Diretrizes da política de QoS
Sua política de QoS deve considerar o caminho completo da origem ao destino. Se um dispositivo no caminho estiver usando uma política diferente da desejada, toda a política de QoS será afetada. Por exemplo, a intermitência na reprodução de vídeo pode ser o resultado de uma mudança no caminho que não tem o valor de CoS definido adequadamente.
Algumas diretrizes que ajudam a garantir a melhor experiência para os usuários finais incluem o seguinte:
- Ative o enfileiramento em todos os dispositivos no caminho entre a origem e o destino.
- Classifique e marque o tráfego o mais próximo possível da origem.
- O tráfego da forma e da polícia flui o mais próximo possível de suas origens.
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