ENSINANDO QUALIDADE DE SERVIÇO NA INTERNET COM O OPNET MODELER
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ENSINANDO QUALIDADE DE SERVIÇO NA INTERNET COM O OPNET MODELER Document Transcript

  • 1. ENSINANDO QUALIDADE DE SERVIÇO NA INTERNET COM O OPNET MODELER Antonio M. Alberti1, Renan S. dos Santos2, Thiago F. Lopes3, Heyder F. A. Alves4, Carles F. C. Vallvé 5 Abstract  In the past few years, many improvements have recursos existentes nas redes de comutação de pacotes been done to bring Quality of Service (QoS) support to the baseadas em circuito virtual. Internet. These improvements defined a new Internet QoS Levando-se em conta a atual tendência de que a Internet framework, mainly composed by Differentiated Services se tornará uma rede convergente multimídia, capaz de (DiffServ), Multi-Protocol Label Switching (MPLS) and suportar aplicações com garantias de QoS, o entendimento Constraint Based Routing technologies. Taking in account de tais tecnologias e dos seus fundamentos, é peça chave na the current trend that Internet will become a multimedia formação dos atuais profissionais da área. Assim, este artigo convergent network, capable to support multimedia descreve a nossa experiência em ensinar estas tecnologias, applications with QoS, the understanding of such framework utilizando um laboratório de simulação. Detalhes dos is fundamental to the formation of today area professionals. experimentos realizados, resultados obtidos e análises feitas, In this scenario, this paper describes our experience in são fornecidos. Através dos resultados dessas simulações, os teaching Internet QoS in a simulation laboratory. Details of estudantes podem verificar as vantagens, desvantagens e experiments, obtained results and performed analysis are principais aspectos relacionados com cada tecnologia. provided. We used OPNET Modeler simulation environment to simulate three scenarios: standard Internet, MPLS MPLS E DIFFSERV Internet and DiffServ/MPLS Internet. Through simulations O MPLS [1] baseia-se no conceito de Label Switching, results, students can see the advantages and disadvantages onde cada pacote recebe um label pequeno e fixo, que of each scenario. The experiments are used in a graduate informa aos nós de comutação, como os dados devem ser telecommunication engineering course. comutados nesta rede. O MPLS foi desenvolvido originalmente para ser Index Terms  QoS, Internet, MPLS, DiffServ, OPNET. utilizado em conjunto com redes ATM. Neste caso, o plano INTRODUÇÃO de controle do ATM é dispensado, aproveitando-se somente a comutação de células ATM, que é feita em hardware. Os Com o desenvolvimento da Internet [1], serviços multimídia labels são os próprios identificadores de canal virtual (VCI – vêm se tornando cada vez mais populares. Esses serviços Virtual Channel Identifier) e de caminho virtual (VPI – geram tráfegos intensos na rede, que demandam por altas Virtual Path Identifier) do ATM [9]. taxas de transmissão e são sensíveis ao atraso e a variação de No MPLS existem dois tipos de roteadores: o LER atraso, experimentados na rede. As redes IP [4], como a (Label Edge Routers) e o LSR (Label Switch Routers). Os Internet, são redes não orientadas à conexão, baseadas em LERs estão localizados na borda da rede e a sua função datagramas. Elas são estruturadas através de roteadores, o primária é classificar e escolher os labels adequados para que permite flexibilidade de roteamento e robustez. cada fluxo de pacotes na entrada da rede e remover os Entretanto, quando se trabalha com tráfego em tempo real labels, na saída da rede. Eles convertem pacotes IP em interativo, os roteadores não conseguem oferecer garantias pacotes MPLS. Os LSRs estão localizados no núcleo da de qualidade de serviço (QoS), uma vez que eles não rede e são comutadores de alta velocidade, cujo principal reservam recursos, nem realizam o roteamento baseado nos objetivo é encaminhar pacotes rapidamente. Um label MPLS requisitos de QoS (tipicamente). é um pequeno identificador de circuito virtual de tamanho Como solução para esse problema, surgiram as redes fixo (20 bits), colocado no cabeçalho dos pacotes MPLS. O orientadas à conexão, baseadas em circuitos virtuais, como cabeçalho MPLS possui também o campo EXP as redes ATM (Asynchronous Transfer Mode) [9]. Estas (Experimental) que é usado para especificar as classes de redes utilizam comutadores, ao invés de roteadores. Neste serviço em um LSP (Label Switching Path). cenário, surgiu a tecnologia MPLS [1], Multiprotocol Label Quando um pacote chega em um LER de ingresso, este Switching, que se propõem, de forma inteligente, a agregar analisa o conteúdo do datagrama IP e configura o cabeçalho as vantagens do roteamento, com a eficiência e a reserva de adequado. Quando um pacote MPLS chega em um LSR, este 1 Antonio Marcos Alberti, , INATEL - Instituto Nacional de Telecomunicações, Av. João de Camargo, 510, 37540-000, Sta Rita do Sapucai, MG, Brasil, alberti@inatel.br. 2 Renan Silveira dos Santos, INATEL, Av. João de Camargo, 510, 37540-000, Sta Rita do Sapucai, MG, Brasil, renan-santos@inatel.br. 3 Thiago Ferreira Lopes, INATEL, Av. João de Camargo, 510, 37540-000, Sta Rita do Sapucai, MG, Brasil, thiago-lopes@inatel.br. 4 Heyder Fernando A. Alves, INATEL, Av. João de Camargo, 510, 37540-000, Sta Rita do Sapucai, MG, Brasil, heyder@inatel.br. 5 Carles Fransesc Casanova Vallvé, INATEL, Av. João de Camargo, 510, 37540-000, Sta Rita do Sapucai, MG, Brasil, carles@inatel.br.
  • 2. examina o cabeçalho do pacote MPLS. Em função deste terminais da rede configurem este campo, antes que o cabeçalho e da interface em que o pacote chegou, o LSR tráfego atinja os roteadores. consulta uma tabela de encaminhamento e determina qual é A principal forma de integração entre o MPLS e o o label da interface de saída. Uma vez determinada a saída DiffServ se dá pela utilização do campo DSCP como regra correta, o LSR substitui o label no cabeçalho do pacote para construção de FECs. Assim, o tráfego DiffServ é MPLS e envia este pacote para o próximo LSR. Assim, um mapeado para dentro de uma FEC de um LSP MPLS. Para LSP é um caminho definido através de uma seqüência de tanto, os LERs da rede devem possuir tabelas de labels, entre dois LERs. Todos os pacotes pertencentes a um mapeamento PHB - EXP. Estas tabelas permitem o LSP seguem o mesmo caminho pré-definido. mapeamento de uma classe DiffServ em uma classe MPLS Para classificar os pacotes que pertencem a um LSP, de um determinado LSP. Desta forma, é possível se utilizam-se as FECs (Forwarding Equivalence Class) [2][7]. implementar mecanismos de priorização de tráfego nos Todos os pacotes pertencentes a uma FEC recebem o mesmo LSRs da rede baseados no campo EXP do MPLS e ToS do tratamento. Várias FECs podem ser utilizadas para IP (DiffServ). classificar o tráfego de um LSP. Em síntese, uma FEC define um conjunto de regras para classificação do tráfego CENÁRIOS DE SIMULAÇÃO que pertence a um determinado LSP. Quando um LSP transporta tráfego classificado por Para realizar os experimentos de simulação, foi utilizada a mais de uma FEC, o campo EXP é utilizado para identificar ferramenta OPNET Modeler [6]. Considerada uma das à qual FEC pertence o pacote. Este LSP é chamado de E- principais ferramentas para o modelamento e simulação de LSP (EXP-Inferred LSP) [7]. O campo EXP tem três bits, redes de comunicações, o OPNET Modeler permite projetar portanto podem ser definidas até 8 FECs em um LSP. Para e estudar estas redes, incluindo seus dispositivos e cada FEC de um LSP é associado um tronco (trunk). Este protocolos, com flexibilidade e escalabilidade. O OPNET tronco é utilizado para definir como será o policiamento e o Modeler possui um módulo especifíco para a tecnologia escalonamento dos pacotes pertencentes a cada FEC do LSP. MPLS [7]. O trabalho baseou-se nos manuais da ferramenta, Assim, vários troncos, cada qual com o seu tráfego definido bem como na referência [8]. por uma FEC, podem compartilhar um mesmo LSP. O Três cenários de simulação foram selecionados, com o MPLS, através da sua arquitetura, permite reservar recursos objetivo de avaliar uma metodologia para implantação e na rede de comutação para um determinado tráfego IP, além engenharia de novos serviços em uma rede IP com QoS: de fornecer subsídios para que seja feita uma engenharia de • Primeiro Cenário: Foi modelada uma rede IP sem tráfego na rede. suporte à QoS (veja a FIGURA 1). Esta rede é composta Para melhorar o suporte à QoS em uma rede multimídia por cinco roteadores centrais LSR (Campinas, Belo IP, é preciso implementar, juntamente com o MPLS, o Horizonte, Vitória, Rio e São Paulo), cinco roteadores Diffserv [3]. Os Serviços Diferenciados (Diffserv) propõe de borda LER (Cambuí, Savassi, Vila Velha, uma estrutura de priorização de pacotes, na qual, eles são Copacabana, Moema) e um servidor (localizado em classificados de acordo com o tipo de dados que levam. A Moema), que fornece os serviços para todos os clientes classificação de tráfego é feita através do uso Differentiated da rede. Todos os enlaces são bi-direcionais e usam a Service Code Point (DSCP). No DiffServ, o campo ToS tecnologia PPP_E1 [4], exceto os enlaces entre o (Type of Service) dos pacotes IP é redefinido como campo LSR_SP e o servidor, que são do tipo PPP_E3. Foram DS (1 byte). Este campo possui os 6 bits do DSCP, que são utilizadas cinco aplicações [4]: Banco de Dados utilizados para definir a que classe de serviço (PHB - Per (Database), VoIP (Voice over IP), FTP (File Transfer Hop Behaviour) pertence um determinado pacote IP. Protocol), HTTP (HyperText_Transfer_Protocol) e Portanto, cada DSCP especifica um PHB. Videoconferência. As aplicações Videoconferência e Todos os pacotes com o mesmo PHB são tratados da VoIP enviam datagramas com o campo ToS mesma forma em um roteador da rede. O IETF definiu os configurado para EF, enquanto as aplicações Banco de seguintes tipos de PHB [5]: Dados, FTP e HTTP, utilizam AF 11. Para configurar o • EF - Expedicted Forwarding: Nível de maior tráfego nas estações dos clientes e no servidor é prioridade. Voltado para tráfegos que exigem baixa necessário criar diferentes perfis. Duas configurações de perda de pacotes, atraso e variação de atraso limitados. perfis foram definidas: perfil real time (RT) e non-real time (NRT). O perfil real time é construído para as • AF - Assured Forwarding: Nível de prioridade aplicações em tempo real: Videoconferência e VoIP. O intermediária. Voltado para tráfegos com diferentes perfil non-real time é construído para as aplicações de exigências de perda, mas que toleram atrasos. tráfego armazenado: Banco de Dados, FTP e HTTP. • Best Effort: Nível de prioridade baixa. Configuraram-se os clientes que utilizam aplicações em No DiffServ também é possível se classificar o tráfego tempo real, com o perfil RT, e os clientes de tráfego nos roteadores de borda da rede, a fim de configurar o armazenado, com o perfil NRT. campo ToS. Também é possível que o software nos
  • 3. curso de Pós-Gradução em Engenharia de Redes e Sistemas de Telecomunicações do Inatel. Assim sendo, o aluno que executa estas experiências já teve contato com o OPNET Modeler. Primeira Experiência Esta experiência tem dois objetivos principais: 1º) fazer com que os estudantes relembrem os principais conceitos e funcionalidades necessárias para se utilizar o OPNET Modeler. 2º) montar o primeiro cenário. As principais atividades realizadas nesta experiência são: • Criação de um Novo Projeto: O aluno inicia a construção do primeiro cenário a partir de um projeto vazio. Isto servirá para que ele relembre como trabalhar com o OPNET Modeler. • Utilização da Palheta de Objetos: Nesta atividade, o FIGURA 1. TOPOLOGIA DA REDE UTILIZADA NOS EXPERIMENTOS. aluno acrescenta novos objetos, não presentes na palheta • Segundo Cenário: foi utilizada a mesma topologia do original de MPLS. primeiro cenário, adicionando-se às configurações • Criação das Aplicações da Rede: Nesta atividade, o necessárias para o suporte do MPLS. Foram criados oito aluno cria todas as aplicações da rede, configurando os LSP’s manualmente, todos estáticos. A FIGURA 1 principais parâmetros de cada aplicação. O objetivo é mostra os LSPs criados (em verde, rosa, laranja e azul). que o aluno entenda como as aplicações irão gerar Duas FEC’s foram configuradas: uma para aplicações tráfego na rede. Ainda nesta atividade, pede-se que os em tempo real (RT) e outra para as demais aplicações estudantes expliquem alguns dos parâmetros (NRT). A FEC RT aceita tráfego com ToS igual a EF, configurados. Como resultado, tem-se a familiarização enquanto a FEC NRT aceita tráfego com ToS igual a dos alunos com os parâmetros típicos das aplicações. AF 11. Também foram criados dois troncos: RT Trunk e • Criação dos Perfis da Rede: Esta atividade é bastante NRT Trunk. Feito isto, configurou-se a tabela de semelhante à anterior. Entretanto, agora são criados os mapeamento de tráfego em cada LER. No atributo perfis de uso das aplicações, configuradas na atividade Traffic Mapping Configuration, dependendo do terminal anterior. Pede-se que o aluno comente sobre os ligado em cada interface do roteador, foi escolhida a parâmetros de cada um deles. Como resultado, tem-se a FEC, o tronco e o LSP adequado. familiarização dos estudantes com os perfis de uso típico de aplicações multimídia. • Terceiro Cenário: Finalmente, foi criado um terceiro • Colocação dos Elementos de Rede: Uma vez definidas cenário, utilizando-se DiffServ e o escalonador WFQ as aplicações e os perfis de uso destas aplicações, pede- (Weighted Fair Queuing) [9], além das implementações se que os alunos posicionem os elementos de rede, anteriores. Foi alterado o atributo WFQ Profiles, do conforme a FIGURA 1. Esta rede já possui roteadores objeto QoS, mudando a propriedade Buffer Capacity MPLS, porém eles ainda não serão utilizados. Também para 10000 bytes. Configurou-se também os nós da rede são configuradas as capacidades dos enlaces da rede. para que eles utilizassem o WFQ, ao invés do FCFS Pede-se para que os estudantes expliquem o que (First-Coming First-Served) [9]. Em cada roteador LER acontecerá nestes terminais. Ao final desta atividade, os e LSR, no atributo IP/IP QoS Parameters/Interface participantes aprendem quais são os equipamentos e Information foi acrescentado tantas linhas quanto o tipos de enlaces que podem ser utilizados para montar número de interfaces do roteador. Em cada linha, foi uma rede multimídia IP com MPLS. alterado somente o parâmetro QoS Scheme. Este • Configuração dos Serviços nos Terminais Fonte: processo foi realizado em todos os roteadores da rede. Pede-se que os estudantes configurem os terminais RT para suportar as aplicações em tempo real. O mesmo é FAZENDO AS EXPERIÊNCIAS feito para os NRT. Este passo é bastante importante, pois os alunos precisam relacionar o suporte ao serviço Para cada cenário apresentado anteriormente, uma com os perfis configurados anteriormente. experiência em laboratório de simulação foi desenvolvida. A • Configuração dos Serviços no Servidor: Pede-se que seguir, descrevem-se as atividades planejadas, os objetivos a os alunos configurem o único servidor da rede, para que serem atingidos e os resultados esperados em cada ele suporte todos os serviçso da rede. experiência. Vale ressaltar, que estas experiências fazem • Configuração das Estatísticas: Pede-se que os parte da disciplina TP 125 – Laboratório de Redes II, do participantes configurem estatísticas de saída pré-
  • 4. selecionadas. Estas estatísticas serão alvo das atividades resultado, tem-se a familiarização dos estudantes com a de análise, logo a seguir. configuração típica de roteadores para o suporte à QoS. • Execução da Simulação: Pede-se que o aluno • Configuração das Estatísticas dos LSPs: Pede-se que configure a duração da simulação para 5 minutos e os alunos configurem estatísticas de saída pré- execute-a. selecionadas, relacionadas aos LSPs criados. • Analise dos Resultados: Nesta etapa pede-se para os • Execução da Simulação: A simulação deve ser estudantes a análise dos resultados obtidos. Dentre as executada por 5 minutos. análises solicitadas estão: 1º) o atraso médio fim-a-fim • Analise dos Resultados: As mesmas análises observado para as aplicações RT e NRT nos terminais solicitadas na primeira experiência são repetidas. da rede. 2º) o tráfego médio enviado e recebido pelas Entretanto, pede-se aos estudantes que comparem os aplicações RT e NRT. 3º) a utilização em alguns dos resultados obtidos nos dois cenários. Adicionalmente, é enlaces da rede. Como resultado, os alunos aprendem solicitada a análise dos resultados obtidos para cada onde estão as limitações da Internet atual (sem MPLS e LSP. Solicita-se, também, que o aluno análise as DiffServ) no tratamento à aplicações multimídia. vantagens de se utilizar MPLS na rede. Como resultado, os alunos aprendem como e onde a tecnologia MPLS Segunda Experiência pode ser empregada para melhorar o Gerenciamento de Esta experiência tem por objetivo montar o segundo cenário Tráfego na rede. e analisar a tecnologia MPLS. As principais atividades Terceira Experiência realizadas nesta experiência são: • Duplicação do Primeiro Cenário: O segundo cenário é Esta experiência tem por objetivo montar o terceiro cenário e construído a partir da duplicação do primeiro. Portanto, analisar a tecnologia DiffServ, que será utilizada para possui os mesmos modelos e configurações. melhorar o suporte à QoS na rede. Aliado ao DiffServ tem-se • Criação dos LSPs: Nesta etapa, são criados e o escalonamento WFQ. As principais atividades realizadas configurados os LSPs. Ao final desta atividade, os nesta experiência são: estudantes são questionados a respeito da finalidade dos • Duplicação do Segundo Cenário: O terceiro cenário é LSPs. O objetivo é criar uma discussão e facilitar o construído a partir da duplicação do segundo. Assim entendimento dos resultados desta experiência. Como sendo, todos os modelos e configurações deste cenário resultado, os participantes aprendem quais são as são levados ao cenário 3. características de um LSP e quais são as principais • Configuração do Perfil de Escalonamento: Nesta decisões envolvidas na Engenharia de Tráfego MPLS. atividade, é configurado o perfil de escalonamento que • Criação das FECs: Pede-se que os estudantes criem será utilizado nas interfaces dos roteadores da rede. duas FECs, conforme visto na seção anterior. Utiliza-se o perfil WFQ. Além disto, define-se que o Questiona-se sobre a utilidade das FECs. O esquema de pesos do escalonador será baseado no entendimento e correta configuração das FEC é de suma campo DSCP do DiffServ. Pede-se que os estudantes importância para o restante das atividades. Ao final expliquem quais são as vantagens do WFQ sobre o desta atividade, os alunos aprendem quais são as FCFS. Ao final desta atividade, os participantes características de uma FEC e quais são as principais aprendem quais são os parâmetros típicos de um decisões envolvidas na classificação de tráfego Internet. escalonador WFQ, bem como o código DSCP pode ser • Criação dos Troncos: Uma vez definidas as FECs, na utilizado para classificar tráfego no escalonador. seqüência é necessária a definição dos troncos. Dois • Configuração dos LERs e LSRs: Uma vez troncos são criados: RT e NRT. Os estudantes são configurado o perfil de escalonamento, este perfil é questionados a respeito do que acontece caso o tráfego aplicado a todos os roteadores da rede. submetido a um tronco ultrapasse a largura de banda • Execução da Simulação: A simulação deve ser negociada. Os participantes aprendem quais são os executada por 5 minutos. efeitos do policiamento de tráfego. • Analise dos Resultados: As mesmas análises • Configuração dos LERs e LSRs: O próximo passo é solicitadas na primeira e segunda experiências são configurar os LERs e LSRs da rede. É necessário repetidas. Entretanto, pede-se aos estudantes que habilitar o MPLS nestes modelos de equipamentos. comparem os resultados obtidos nos três cenários. Feito isso, é necessário configurar a Tabela de Também, é solicitada a análise dos resultados obtidos Mapeamento de Tráfego em cada LER. Questiona-se a para cada LSP. Por fim, pede-se que o aluno análise as razão por de trás desta configuração. Ela é necessária vantagens de se utilizar DiffServ na rede e compare com para que os LERs e LSRs saibam como encaminhar o o cenário anterior. Como resultado, os alunos aprendem tráfego através dos LSPs récem criados. Dependendo do como e onde as tecnologias DiffServ e WFQ podem ser terminal ligado em cada interface do roteador, deve-se empregadas para melhorar o suporte à QoS na rede. escolher a FEC, o tronco e o LSP adequados. Como
  • 5. RESULTADOS DAS EXPERIÊNCIAS Pode-se observar que com a utilização do MPLS, ocorre uma redução do atraso para ambas. Entretanto, o valor de A FIGURA 2 e a FIGURA 3 mostram o atraso médio, fim-a- atraso ainda está bastante alto para uma aplicação em tempo fim, na rede, para as aplicações de Voz e Videoconferência, real. Já com o uso do DiffServ e WFQ, o atraso é reduzido respectivamente. drasticamente. A FIGURA 4 mostra o atraso, fim-a-fim, para as aplicações HTTP, em média, na rede. Observa-se que com o uso de MPLS e/ou DiffServ o atraso torna-se maior do que em uma rede IP simples. Entretanto, este atraso pode ser tolerado pelas aplicações non-real time. CONSIDERAÇÕES FINAIS A partir dos resultados obtidos, percebe-se que com o uso do MPLS, é possível se fazer a engenharia de tráfego na rede (organização do tráfego) e, com isto, melhorar as métricas de desempenho. Com o uso do DiffServ, junto com o escalonador WFQ e do mapeamento das classes de serviço para MPLS, pode-se modificar o escalonamento e reserva de recursos nas filas dos roteadores, estabelecendo-se níveis de prioridades, o que melhora o desempenho da rede para aplicações real time. Observa-se ainda, que a ferramenta FIGURA 2. ATRASO: APLICAÇÕES DE VOZ. OPNET, junto com os cenários estudados, fornecem uma base para que os estudantes estejam aptos a analisar, planejar e implantar uma rede IP com suporte à QoS, bem como avaliar o desempenho dos diversos serviços oferecidos. Como melhorias ao trabalho, pretende-se incluir a alocação dinâmica de LSPs usando LDP (Label Distribution Protocol) e o roteamento com restrições. REFERÊNCIAS [1] Wang, Zheng, “Internet QoS Architectures and Mechanisms for Quality of Service”, Morgan Kaufmann, 1st edition, 2001. [2] Internet Engineering Task Force IETF. http://www.ietf.org. [3] IETF, “Multiprotocol Label Switching Architecture”, RFC-3031, 2001. [4] Tanenbaum, Andrew S., "Redes de Computadores", 4ª Edição, Editora Érica. [5] Blake S., Black D., Carlson M., Davies E., Wang Z., Weiss W. "An FIGURA 3. ATRASO: APLICAÇÕES DE VIDEOCONFERÊNCIA. Architecture for Differentiated Services", RFC 2475, December, 1998. [6] OPNET Technologies, Inc., “OPNET Modeler Brochure”, http://www.opnet.com/products/brochures/Modeler.pdf. [7] OPNET Technologies, Inc., “Modeler Product Documentation 10.5: MPLS Model User Guide”. [8] OPNET Technologies, Inc., “OPNET Modeler Product Documentation 10.5: Adding QoS Services to an MPLS-Enabled Network”. [9] Giroux, N., Ganti, S., “Quality of Service in ATM Networks: State-of- Art Traffic Management”, Prentice Hall, 1998. FIGURA 4. ATRASO: APLICAÇÕES HTTP.