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MAPEO DE CALIDAD DE SERVICIO ENTRE REDES DIFFSERV Y WIMAX

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Aun cuando las comunicaciones extremo a extremo tienen lugar utilizando el protocolo IP, en un escenario heterogéneo pueden existir diferentes mecanismos y políticas de calidad de servicio para los …

Aun cuando las comunicaciones extremo a extremo tienen lugar utilizando el protocolo IP, en un escenario heterogéneo pueden existir diferentes mecanismos y políticas de calidad de servicio para los distintos dominios involucrados en la comunicación. En el escenario planteado en este trabajo el tráfico de una red TCP/IP va a atravesar un segmento WiMAX para unir dominios cableados. En estos dominios fuera de WiMAX la arquitectura DiffServ se puede identificar como la más adecuada para la provisión de calidad de servicio, principalmente por su simplicidad y su escalabilidad. El segmento WiMAX, ofrece de forma nativa diferenciación de tráfico con sus propios mecanismos. Cuando el tráfico procedente de los dominios externos entra en el segmento WiMAX, se produce un conflicto al no existir una correspondencia uno a uno entre las clases de tráfico DiffServ y las que ofrece WiMAX. En este artículo se va a hacer una revisión de los mecanismos que utilizan DiffServ y WiMAX para aplicar calidad de servicio para posteriormente proponer una solución que permita el envío de tráfico DiffServ sobre redes WiMAX, de manera que la calidad de servicio sea la requerida por el usuario final.


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  • 1. Mapeo de Calidad de Servicio entre redes  DiffServ y WiMAX Carlos Baladrón Zorita Universidad de Valladolid cbalzor@ribera.tel.uva.es
  • 2. Índice• Introducción• Modelo DiffServ• Calidad de Servicio en WiMAX• Mapeo de Tráfico Interdominios• Escenarios y Resultados• Conclusiones
  • 3. Introducción
  • 4. Introducción• La  aparición  en  Internet  de  nuevos  sistemas  de  comunicaciones  con  requerimientos  especiales  de  calidad  de  servicio  (QoS,  Quality  of  Service)  hace  que  surjan  mecanismos  (como  Diffserv)  capaces  de  garantizar al  usuario servicios con un nivel de calidad determinado. • La aparición de nuevas redes de acceso como WiMAX con mecanismos de  QoS  nativos  hace  necesaria  una  adaptación  del  tráfico  que  proviene  de  dominios externos. • En ocasiones los paquetes IP (a los que se aplica DiffServ) tienen que pasar  por redes WiMAX sin que disminuya la QoS. • Como  los  mecanismos  de  DiffServ  son  diferentes  a  los  de  redes  WiMAX,  en el momento de transición entre redes se hace necesario un mapeo de  tráfico. • En  este  trabajo, realizado  dentro  del  proyecto  WIMSAT  (Convergencia  de  WiMAX, IMS y Satélite), se ha modelado el mapeo de tráfico entre clases  DiffServ y WiMAX, y cuantificado el impacto de dicho mapeo en el tráfico  asociado a los perfiles identificados para el sistema WIMSAT.
  • 5. Modelo DiffServ
  • 6. Modelo DiffServ• DiffServ  se  basa  en  ofrecer  un  tratamiento  diferente  a  los  distintos  tipos  de paquetes en función de la clase a la que pertenecen.  – En  los  nodos  de  borde  se  lleva  a  cabo  una  clasificación  del  tráfico  en  varias  clases  marcándolos  mediante  el  campo  de  cabecera  IP  Differentiated  Services  Code  Point (DSCP).  – En  los  nodos  intermedios  de  la  red  se  lee  el  campo  DSCP  y  en  función  de  la  clase  identificada  para  cada  paquete  éste  es  tratado  de  la  forma  adecuada,  otorgando  más  recursos a las clases de mayor prioridad.  • Generalmente para cada clase se define un Per Hop Behaviour (PHB),  logrando la diferenciación de las clases de servicio: – PHB  EF  (Expedited  Forwarding  PHB):  se  corresponde  con  el  tráfico  de  más  alta  prioridad.  Se  pretende  que  los  paquetes  encuentren  colas  muy  cortas  y  su  procesado  sea independiente del tráfico no EF.  – PHB  AF  (Assured  Forwarding  PHB):  ofrece  diferentes  niveles  de  garantía  de  reenvío,  mediante  ciertas  cantidades  de  recursos  garantizados  (buffer  y  ancho  de  banda).  La  prioridad de descarte determina la importancia del paquete dentro de la clase AF en el  caso de congestión.  – PHB BE (Best Effort PHB): se  sirve  sin  ningún  tipo  de  garantía.  Los  paquetes  se  envían  sólo cuando exista ancho de banda no utilizado por otro PHB. 
  • 7. Calidad de Servicio en WiMAX
  • 8. Calidad de Servicio en WiMAX• En la capa MAC, la QoS es proporcionada mediante flujos de servicio.  – Antes de llevar a cabo cualquier tipo de servicio, la estación  base  (BS)  y  el  terminal  del  usuario  establecen  un  enlace  unidireccional  entre  las  capas  MAC  llamado  conexión. La  capa  MAC  entonces  asocia  paquetes  que  atraviesan  la  interfaz  MAC con  un  flujo  de  servicio para ser entregado en la conexión. – Los  parámetros  de  QoS  asociados  con  el  flujo  de  servicio  definen  la  clasificación  de  la  transmisión y la asignación en la interfaz aire, que es habitualmente el cuello de botella.  Las conexiones orientadas de QoS pueden habilitar el control punto a punto de la QoS.  Los parámetros del flujo de servicio se tratan dinámicamente a través de mensajes MAC  para  amoldarse  a  la  demanda  de  servicios  de  manera  dinámica.  Los  flujos  de  servicios  están basados en el mecanismo QoS y se aplican en ambos sentidos DL y UL.• WiMAX  se  optimiza  dinámicamente  para  el  tipo  de  tráfico  que  se  está transportando, soportando cuatro tipos de servicios diferentes: – UGS (Unsolicited Grant Service): Soporta flujos de servicio en tiempo real con paquetes  de  datos  de  tamaño  fijo  en  períodos  constantes.  Este  servicio  ofrece  asignaciones  de  tamaño  fijo  en  tiempo  real  y  en  períodos  constantes,  eliminando  la  necesidad  de  realizar  solicitudes  de  ancho  de  banda  por  parte  de  la  estación  suscriptora  (SS).  La  BS  provee estas reservas en base a la máxima tasa de tráfico sostenida del flujo de servicio.  Para  que  este  servicio  funcione  correctamente,  la  SS  tiene  prohibido  usar  los  períodos  de contención para realizar solicitudes de ancho de banda.
  • 9. Calidad de Servicio en WiMAX – rtPS  (Real  Time  Polling  Service):  Está diseñado  para  soportar  flujos  de  servicio  en  tiempo real, que transportan paquetes de datos de tamaño variable. La BS proporciona  periódicamente  oportunidades  unicast para  transmitir  las  solicitudes  de  ancho  de  banda, conociendo  las  necesidades  de  los  flujos  de  servicio  en  tiempo  real  y  permite a  las SS especificar el tamaño de las reservas deseadas. La SS realiza continuas solicitudes  de ancho de banda, provocando mayor  gasto  de  recursos  en  las  solicitudes,  pero  tiene  la  ventaja  de  soportar  tamaños  variables  de  reserva,  para  un  óptimo  y  eficiente  transporte de datos. Con el propósito de que este servicio funcione correctamente, la SS  tiene prohibido usar cualquier período de contención para realizar solicitudes de ancho  de banda para su conexión.  – nrtPS  (Not  Real time  Polling  Service):  Este  tipo  de  servicio  encuesta  regularmente  a la  SS  para  asegurarse  que  sus  flujos  de  servicio  reciban  oportunidades  de  transmitir  solicitudes  de  ancho  de  banda.  La  BS  encuesta  las  conexiones  con servicio  nrtPS,  en  intervalos  inferiores  al  segundo  y  proporciona  oportunidades  unicast para  realizar  solicitudes  de  ancho  de  banda.  Con  el  fin  de  que  este  servicio  funcione  de  forma  correcta,  la  política  de  solicitud/transmisión  debe  ser  tal,  que  la  SS  puede  usar  los  períodos de contención para enviar solicitudes de ancho de banda.  – BE  (Best  Effort):  En  este  caso,  la  SS  tiene  permitido  usar  cualquier  oportunidad  de  transmitir una solicitud de ancho de banda en el período de contención. A consecuencia  de  esto,  la  SS  puede  utilizar  oportunidades  unicast y  los  períodos  de  contención,  para  enviar sus solicitudes de ancho de banda. 
  • 10. Mapeo de Tráfico Interdominios
  • 11. Mapeo de Tráfico Interdominios• Para un correcto mapeo entre los dominios DiffServ y WiMAX es necesario  mapear las clases definidas en DiffServ sobre la capa MAC 802.16. 
  • 12. Escenarios y Resultados
  • 13. Escenarios y Resultados• El escenario que se plantea, consiste en la creación de una red híbrida, en  la cual se envíe tráfico IP DiffServ con su correspondiente clasificación de  clases  de  calidad  de  servicio,  y  este  tráfico  sea  recibido  en  el  dominio  WiMAX,  ubicado  al  otro  extremo  de  la  red,  conservando  una  política  de  prioridades similar para cada tipo  de  tráfico  enviado. Es  decir,  el  objetivo  perseguido es que los requerimientos de QoS de cada tipo de datos, sigan  vigentes al pasar del dominio DiffServ al dominio WiMAX. – Implementación OPNET Modeler. – Configuración:  El  escenario  que  se  plantea  consta  de  una  red  IP  DiffServ  y  una  red  WiMAX, separadas mediante un nodo intermedio. FIF O WFQ PQ FIFO
  • 14. Escenarios y Resultados• Simulación con carga baja – Un  flujo  de  1.000  paquetes  por  segundo  enviado  desde  la  estación  “Bronze”,  que  representa al flujo de menor prioridad y es tratado como BE. – Otro  flujo  de  2.000  paquetes  por  segundo  enviado  desde  la  estación  “Silver  que  es  tratado como AF31 y representa una prioridad media.  – Un  último  flujo  de  3.000  paquetes  por  segundo  enviado  desde  la  estación  “Gold”,  tratado como EF, que representa la más alta prioridad. • El  tráfico  IP  DiffServ  enviado  por  las  estaciones  emisoras,  es  recibido  correctamente  al  otro  extremo  de  la  red  por  las  estaciones  receptoras  WiMAX.  Esto  indica  que  la  red  ha  sido  correctamente  configurada,  y  tal  y  como  era  de  esperar,  que  en  condiciones  de  baja carga, la totalidad del tráfico enviado  se recibe correctamente.
  • 15. Escenarios y Resultados• Simulación con carga alta – Un  flujo  de  60.000  paquetes  por  segundo  enviado  desde  la  estación  “Bronze”,  que  representa al flujo de menor prioridad y es tratado como BE. – Otro  flujo  de  60.000  paquetes  por  segundo  enviado  desde  la  estación  “Silver  que  es  tratado como AF31 y representa una prioridad media.  – Un  último  flujo  de  60.000  paquetes  por  segundo  enviado  desde  la  estación  “Gold”,  tratado como EF, que representa la más alta prioridad. • El  tráfico  “Gold” ha  llegado  a  su  destino  sin  problemas.  • El  tráfico  “Bronze”,  ha  sufrido  notables  pérdidas,  recibiendo  tan  sólo  45.000  paquetes  por segundo de los 60.000 enviados. • El  tráfico  “Silver”,  ha  obtenido  una  respuesta  muy buena, ligeramente peor que la del tráfico  “Gold” (retardo mayor). 
  • 16. Escenarios y Resultados • Comportamiento  obtenido  para  el  Planificador y la Estación Base WiMAX: • El  Planificador  recibe  la  totalidad  del  tráfico  enviado,  sin  embargo,  se  ve  obligado  a  descartar  algunos  paquetes,  de  modo  que  finalmente  tan  sólo  envía  algo  más  de  150.000  paquetes  por  segundo  a  la  Estación  Base  WiMAX.  Ésta  por  su  parte,  descarta  también  una  mínima  parte  de  paquetes  como puede apreciarse en el hecho de que la  media  de  la  curva  roja  se  halla  ligeramente  por  debajo  de  la  azul  oscuro. tráfico  “Gold” ha llegado a su destino sin problemas.  • El  tráfico  “Gold” es  el  que  ha  gozado  de  mayor prioridad y ha sufrido menos pérdidas.  El  tráfico  “Bronze” pierde  casi  el  50%  de  los  paquetes.  • El  planificador  lleva  a  cabo  el  mapeo  de  paquetes,  ya  que  sus  perdidas  son  mayores  que las de la Estación Base WiMAX.
  • 17. Conclusiones
  • 18. Conclusiones• El  tráfico  IP  de  Internet  circula  por  distintos  tipo  de  redes,  con  diferente  clasificación  de  los  distintos  tipos  de  servicio,  lo  que  requiere  de  un  mapeo  entre  dominios  para  que  el  usuario  no  perciba  estos  cambios  y la  QoS que reciba sea la esperada. • Se  propone  un  sistema  de  mapeo  entre  las  distintas  clases  de  servicio  DiffServ  y  WiMAX  que  se  ha  modelado  y  simulado  en  la  herramienta OPNET  Modeler  demostrando  que  el  tráfico  llega  al  dominio  WiMAX  conservando las prioridades asignadas inicialmente en la red DiffServ. • La  arquitectura  propuesta  permite  la  introducción  de  algoritmos  de  control de QoS en comunicaciones que incluyen un segmento WiMAX. Un  operador que contara por ejemplo con un conjunto de abonados premium  o con un servicio específico de garantía de recursos sería capaz de ofertar  dicho servicio a usuarios conectados a través de WiMAX, mientras que sin  dicha solución, al no ser posible la integración de reservas de recursos, no  sería  posible  garantizar  la  calidad  extremo  a  extremo  ya  que  el  tramo  WiMAX sólo podría ofrecer un servicio best effort. 
  • 19. Mapeo de Calidad de Servicio entre redes  DiffServ y WiMAX Carlos Baladrón Zorita Universidad de Valladolid cbalzor@ribera.tel.uva.es Proyecto financiado por: