O impacto de controladores de banda em domínios DiffServ e roteamento dinâmico

Texto

(1)Pós-Graduação em Ciência da Computação. “O Impacto de Controladores de Banda em Domínios DiffServ e Roteamento Dinâmico” Por. ANA PAULA SILVA DOS SANTOS Dissertação de Mestrado. Universidade Federal de Pernambuco [email protected] www.cin.ufpe.br/~posgraduacao. RECIFE, JANEIRO/2003.

(2) UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO CENTRO DE INFORMÁTICA PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO. ANA PAULA SILVA DOS SANTOS. “O IMPACTO DE CONTROLADORES DE BANDA EM DOMÍNIOS DIFFSERV E ROTEAMENTO DINÂMICO”. ESTE TRABALHO FOI APRESENTADO À PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO DO CENTRO DE INFORMÁTICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO.. ORIENTADOR(A): DJAMEL FAWZI HADJ SADOK. RECIFE, JANEIRO/2003.

(3) Dedicatória Dedico este trabalho a Deus que me deu o Dom da perseverança e muita energia para vencer mais esta etapa de vida. Ao meu marido pelo incentivo, paciência, compreensão e atenção. Dedico, em especial, aos meus queridos pais que me forneceram todos os motivos para realização deste trabalho e evolução profissional. A todos os meus parentes, tendo como precursora a minha estimada Avó Alice Santana e aos já ausentes Avós. Ao meu orientador Djamel Sadok e aos demais professores pelo esforço conjunto para a conclusão desse mestrado. Aos amigos e aos colegas do grupo de trabalho de Qualidade de Serviço do CIN que me deram o apoio necessário nos momentos de dúvidas e indecisão. Enfim, dedico a todos que me proporcionaram a realização deste sonho.. III.

(4) Resumo Qualidade de Serviço (QoS) para redes TCP/IP é um conceito que promete promover. a. utilização. de. aplicações. que. necessitam. de. garantia. e. confiabilidade, na maior rede de computadores do mundo, a Internet. Dentre as arquiteturas disponíveis para se implementar QoS, uma baseada em priorização de pacotes ou serviços, denominada Serviços Diferenciados (Differentiated. Service - DiffServ), define mecanismos e componentes para oferecer mais eficiência na utilização dos recursos da rede. O controlador de banda (Bandwidth Broker - BB) é o componente da arquitetura DiffServ que controla e gerencia os recursos disponíveis na rede, como largura de banda e as políticas de serviços entre domínios vizinhos. O perfil bilateral de negociação de serviços do controlador de banda implica na necessidade de manter um caminho ou rota preestabelecida para cada conexão negociada. Em domínios que utilizam roteamento dinâmico tal proposta é insatisfatória. Esta dissertação propõe um modelo de implementação que possibilita a utilização do controlador de banda em Domínios DiffServ com Roteamento Dinâmico. Neste trabalho, são previstos problemas de renegociação e realocação de recursos dentro de um ou mais domínios, avaliando, com simulações, o desempenho desta proposta. Palavras-chaves: qualidade de serviço, serviços diferenciados, controlador de banda, roteamento dinâmico.. IV.

(5) Abstract Quality of Service (QoS) to TCP/IP networks is a technology that promises to improve applications by guarantying their reliability, in the biggest network of computers in the world, the Internet. Amongst the architectures to implement QoS, there is the Differentiated Service (DiffServ). An architecture based on the priorization of packets or services that defines mechanisms and components to offer more efficient uses of the features of the network, in accordance with the service and politics of a domain. The Bandwidth Broker (BB) component of the DiffServ architecture controls and manages the resources in the network; such as bandwidth requirements that are negotiated with neighboring domains. The bilateral profile of service negotiation of the bandwidth broker implies in a bigger necessity to have a path or route preestabilished for each connection what it makes, therefore it is difficult to operate in domains that use dynamic routing. This dissertation proposes a model that makes possible to use the Bandwidth Broker in DiffServ domains with dynamic routing, by foreseeing problems of renegotiating and reallocating resources to services inside one or more domains. The performance of this proposal is then evaluated, using simulations. Keywords: quality of service, differentiated services, bandwidth broker, dynamic routing.. V.

(6) Sumário ÍNDICE DE FIGURAS....................................................................................................................... VIII ÍNDICE DE TABELAS .......................................................................................................................... IX ÍNDICE DE GRÁFICOS ......................................................................................................................... X GLOSSÁRIO........................................................................................................................................... XI CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO...............................................................................................................13 1 INTRODUÇÃO .........................................................................................................................................14 1.1. MOTIVAÇÃO ......................................................................................................................................14 1.2. RESULTADOS PROPOSTOS .................................................................................................................16 1.3. ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO ...........................................................................................................16 CAPÍTULO 2 QUALIDADE DE SERVIÇO NA INTERNET............................................................18 2 QUALIDADE DE SERVIÇO NA INTERNET ...................................................................................................19 2.1. APLICAÇÕES E TIPOS DE TRÁFEGO ......................................................................................................19 2.2. ENGENHARIA DE TRÁFEGO .................................................................................................................22 2.3. MULTIPROTOCOL LABEL SWITCHING (MPLS) ....................................................................................23 2.4. ROTEAMENTO BASEADO EM RESTRIÇÕES ...........................................................................................24 2.5. SERVIÇOS INTEGRADOS .....................................................................................................................24 2.5.1. O PROTOCOLO RESERVA DE RECURSOS ..........................................................................................25 2.6. SERVIÇOS DIFERENCIADOS ................................................................................................................30 2.6.1. PHB EF ........................................................................................................................................32 2.6.2. PHB AF ........................................................................................................................................33 2.6.3. O CONTROLADOR DE BANDA ..........................................................................................................35 2.7. RESUMO ...........................................................................................................................................36 CAPÍTULO 3 DESVENDANDO O CONTROLADOR DE BANDA .................................................37 3 DESVENDANDO O CONTROLADOR DE BANDA ...........................................................................................38 3.1 ADMISSÃO LOCAL OU ESCOPO INTRADOMÍNIO ....................................................................................39 3.2 GERENCIAMENTO DE RECURSOS ENTRE DOMÍNIOS OU ESCOPO INTERDOMÍNIO ....................................41 3.2.1 ACORDOS ENTRE DOMÍNIOS ............................................................................................................42 3.3 SEGURANÇA EM OPERAÇÕES COM O CONTROLADOR DE BANDA ............................................................44 3.4 ARQUITETURA DO CONTROLADOR DE BANDA.......................................................................................45 3.4.2 BANDWIDTH BROKER DATABASE (BBD) ..........................................................................................45 3.4.3 BANDWIDTH BROKER SERVER (BBS) ..............................................................................................46 3.4.4 BANDWIDTH BROKER COMMAND LINE INTERFACES (BBCLI)............................................................46 3.4.5 BANDWIDTH BROKER AUTHENTICATION TUNNEL SERVER (BBATS) .................................................47 3.4.6 BANDWIDTH BROKER ADMINISTRATIVE SERVER (BBAS) .................................................................47 3.5 ACORDOS DINÂMICOS ENTRE DOMÍNIOS .............................................................................................47 3.6 SINALIZAÇÃO COM RSVP....................................................................................................................48 3.7 OPERAÇÃO DE UM CONTROLADOR DE BANDA.......................................................................................49 3.8 RESUMO ............................................................................................................................................52 CAPÍTULO 4 PROTOCOLOS DE ROTEAMENTO DINÂMICO ....................................................53 4 PROTOCOLOS DE ROTEAMENTO DINÂMICO .............................................................................................54 4.1 PROTOCOLOS DE ROTEAMENTO DINÂMICO ..........................................................................................54 4.2 ROUTING INFORMATION PROTOCOL - RIP ..........................................................................................55 4.2.1 ALGORITMO BASEADO EM VETOR DE DISTÂNCIA ..............................................................................56 4.2.2 ESPECIFICAÇÕES DO PROTOCOLO RIP .............................................................................................59 4.3 OPEN SHORTEST PATH FIRST .............................................................................................................61 4.3.1 ALGORITMO BASEADO NO ESTADO DO ENLACE .................................................................................61 4.3.2 O PROJETO DO OSPF.....................................................................................................................63 VI.

(7) 4.4 BORDER GATEWAY PROTOCOL VERSION 4 ― BGP-4 ..........................................................................66 4.4.1 ALGORITMO BASEADO EM VETOR DE CAMINHO ................................................................................67 4.4.2 ESPECIFICAÇÕES DO PROTOCOLO BGP ............................................................................................68 4.4.3 DETECÇÃO DE ERROS ......................................................................................................................70 4.4.4 POLÍTICAS E SEGURANÇA DE ROTEAMENTO DO BGP.........................................................................70 4.5 RESUMO ............................................................................................................................................71 CAPÍTULO 5 UM MODELO PARA O CONTROLADOR DE BANDA COM ROTEAMENTO DINÂMICO..............................................................................................................................................72 5 UM MODELO PARA O CONTROLADOR DE BANDA E ROTEAMENTO DINÂMICO.............................................74 5.1 CONTROLE GERENCIAL DA LARGURA DE BANDA ...................................................................................74 5.2 CONFLITOS DE NEGOCIAÇÃO COM POLÍTICAS DE ROTEAMENTO ...........................................................77 5.3 CASOS ESPECÍFICOS ...........................................................................................................................79 5.4 CARACTERIZANDO UM NOVO MODELO PARA O CONTROLADOR DE BANDA .............................................80 5.4.1 SINALIZAÇÃO DE ALTERAÇÕES DE ROTAS .........................................................................................81 5.4.2 EXTENSÃO DO RSVP PARA SINALIZAÇÃO DE ROTAS .........................................................................81 5.4.3 SINALIZAÇÃO DOS PROTOCOLOS DE ROTEAMENTO ...........................................................................82 5.4.4 CONTROLE DE ROTAS DO BB (BBRC) .............................................................................................83 5.4.4.1 TABELA DE ROTAS DO BB (BBRT) ..............................................................................................84 5.4.4.2 FUNCIONAMENTO DO BBRC.........................................................................................................85 5.4.5 MECANISMOS DE CONTROLE DE PERDA DE FLUXO RESERVADO .........................................................88 5.4.6 LARGURA DE BANDA DISPONÍVEL ....................................................................................................88 5.4.7 CONTROLE DE POLÍTICAS ................................................................................................................89 5.5 UMA NOVA ARQUITETURA PARA O BB.................................................................................................90 5.6 RESUMO ............................................................................................................................................92 CAPÍTULO 6 ESTUDOS DE CASOS ..................................................................................................93 6 ESTUDOS DE CASOS...............................................................................................................................94 6.1 TOPOLOGIA IMPLEMENTADA ...............................................................................................................94 6.2 TÉCNICA DE AVALIAÇÃO .....................................................................................................................96 6.2.1 DESENVOLVIMENTO DO CONTROLADOR DE BANDA ...........................................................................98 6.2.2 CENÁRIOS.....................................................................................................................................102 6.3 RESULTADOS ....................................................................................................................................103 6.3.1 PRIMEIRO CENÁRIO – RIP EM AMBOS MODELOS SEM QUEDA DE ENLACE .......................................104 6.3.2 SEGUNDO CENÁRIO – OSPF EM AMBOS MODELOS SEM QUEDA DE ENLACE ....................................105 6.3.3 TERCEIRO CENÁRIO – RIP EM AMBOS MODELOS COM QUEDA DE ENLACE ......................................107 6.3.4 QUARTO CENÁRIO – OSPF EM AMBOS MODELOS COM QUEDA DE ENLACE......................................110 6.3.5 QUINTO CENÁRIO – RIP VERSUS OSPF NO NOVO MODELO COM QUEDA DE ENLACE ......................112 6.3.6 RESULTADOS POR PHB .................................................................................................................113 6.4 RESUMO ..........................................................................................................................................114 CAPÍTULO 7 CONCLUSÃO ...............................................................................................................115 7 CONCLUSÃO ........................................................................................................................................116 7.1 CONSIDERAÇÕES ..............................................................................................................................116 7.2 CONTRIBUIÇÕES ...............................................................................................................................118 7.3 TRABALHOS FUTUROS ......................................................................................................................118 CAPÍTULO 8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS........................................................................120 8.1 LIVROS E PERIÓDICOS ......................................................................................................................121 8.2 REQUEST FOR COMMENT (RFCS) E INTERNET DRAFTS ......................................................................122 8.3 WEB SITES ......................................................................................................................................125 APÊNDICE A SIMULAÇÕES .............................................................................................................127 A.1 O SIMULADOR .................................................................................................................................128 A.2 IMPLEMENTAÇÕES ............................................................................................................................130 VII.

(8) Índice de Figuras Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura. 2.1 - RSVP em Máquinas do Usuário e Roteadores ................................................................26 2.2 - IntServ com RSVP ..............................................................................................................29 2.3 - Visão Lógica do Fluxo de Dados no Condicionador de Tráfego...................................31 2.4 - Domínio DiffServ com Encaminhamento Premium ........................................................32 2.5 – Fluxo EF com Balde de Fichas..........................................................................................33 2.6 – Fluxo AF com Balde de Fichas .........................................................................................34 2.7 - Representação dos SLAs ...................................................................................................35 3.1 – Admissão Local...................................................................................................................40 3.2 – Domínios DiffServ controlados por BBs ..........................................................................42 3.3 - Tipos de Sinalização do Controlador de Banda ..............................................................43 3.4 - Arquitetura do BB [Nei98] proposta pelo QBone [QBoneBB]. .....................................45 3.5 - Sinalização RSVP em redes finais.....................................................................................49 3.6 - Operação do Controlador de Banda [RFC2475].............................................................50 4.1 - Sistemas Autônomos..........................................................................................................55 4.2 – Exemplo de Topologia.......................................................................................................56 4.3 – Cabeçalho de Pacotes RIP-2 ............................................................................................59 4.4 – Cabeçalho de Pacotes RIP-2 para Autenticação............................................................60 4.5 – Roteadores e Áreas OSPF.................................................................................................64 4.6 - Cabeçalho de Pacotes OSPF..............................................................................................65 4.7 – Sistemas Autônomos Numerados....................................................................................67 4.8 - Roteadores Vizinhos e Parceiros BGP ..............................................................................69 4.9 - Cabeçalho de Pacotes BGP................................................................................................70 5.1 – Solicitação e Estabelecimento de uma mensagem RAR...............................................74 5.2 – Queda de Enlace Durante uma Reserva.........................................................................74 5.3 – Restabelecimento de Reservas pelas Regras de Roteamento.....................................75 5.4 – Renegociação de uma Reserva pelo BB .........................................................................76 5.5 – Conflito entre Políticas de Roteamento e SLAs..............................................................77 5.6 – Sinalização de Rotas do BB ..............................................................................................85 5.7 – Nova arquitetura para o BB..............................................................................................90 6.1 – Backbone RNP2..................................................................................................................95 6.2 – Representação da Topologia Implementada no NS......................................................96 6.3 - Saída de Dados sem o BB ...............................................................................................100 6.4 - Saída de Dados com o BB ...............................................................................................100 6.5 - Vazão de Dados com o BB e o protocolo RIP...............................................................105 6.6 - Vazão de Dados com o NBB e o protocolo RIP............................................................105 6.7 - Vazão de Dados com o BB e o protocolo OSPF ...........................................................107 6.8 - Vazão de Dados com o NBB e o protocolo OSPF.........................................................107 6.9 - Vazão de dados com o BB, RIP e Queda de Enlace ....................................................109 6.10 - Vazão de dados com o NBB, RIP e Queda de Enlace ...............................................109 6.11 - Vazão de dados com o BB, OSPF e Queda de Enlace...............................................111 6.12 - Vazão de dados com o NBB, OSPF e Queda de Enlace ............................................112 A.1 - Visão Simplificada do NS.................................................................................................128 A.2 - Ligações OTcl e C++ .........................................................................................................129. VIII.

(9) Índice de Tabelas Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela. 2.1 - Proposta de Codificação para PHB AF ............................................................................34 4.1 – Tabela de Rotas Inicial do Roteador A...........................................................................57 4.2 - Tabela de Rotas Parcial do Roteador B ..........................................................................57 4.3 – Tabela de Rotas Parcial do Roteador D .........................................................................57 4.4 - Tabela de Rotas Parcial do Roteador A ..........................................................................57 4.5 – Tabela de Rotas Parcial do Roteador C .........................................................................58 4.6 – Tabela de Rotas dos Roteadores OSPF..........................................................................62 4.7- Tipos de Autenticação OSPF..............................................................................................65 5.1 - Política de Roteamento do nó C ......................................................................................77 5.2 – Tabela de Rotas do router@nc-rj ...................................................................................85 5.3 – Tabela de Rotas do BB@nc-rj .........................................................................................85 5.4 – Tabela de Acordos do Domínio NC-RJ ...........................................................................86 6.1 - Fontes de tráfego e Tempos de transmissão ................................................................97 6.2 – Características Técnicas dos Enlaces .............................................................................98 6.3 - Cenários Modelados para Simulação.............................................................................103. IX.

(10) Índice de Gráficos Gráfico Gráfico Gráfico Gráfico Gráfico Gráfico Gráfico Gráfico Gráfico Gráfico Gráfico. 6.1 – Tráfego de Dados com e sem o BB ...............................................................................99 6.2 – Vazão de dados com o BB e o protocolo RIP.............................................................104 6.3 – Vazão de dados com o NBB e o protocolo RIP ..........................................................104 6.4 – Vazão de dados com o BB e o protocolo OSPF..........................................................106 6.5 – Vazão de dados com o NBB e o protocolo OSPF .......................................................106 6.6 – Vazão de dados com o BB, RIP e Queda de Enlace..................................................108 6.7 – Vazão de dados com o NBB, RIP e Queda de Enlace ...............................................108 6.8 – Vazão de dados com o BB, OSPF e Queda de Enlace...............................................110 6.9 – Vazão de dados com o NBB, OSPF e Queda de Enlace ............................................111 6.10 – Vazão de dados com NBB entre RIP e OSPF............................................................112 6.11 – Vazão de dados por PHB.............................................................................................113. X.

(11) Glossário AAA – Authentication Authorization Accounting AF - Assured Forward AS – Autonomous Systems ASN – Autonomous Systems Number ATM – Asynchronous Transfer Mode BB – Bandwidth Broker BBAS - Bandwidth Broker Administrative Server BBATS - Bandwidth Broker Authentication Tunnel Server BBCLI - Bandwidth Broker Command Line Interfaces BBD - Bandwidth Broker Database BBRC - Controle de Rotas do BB BBRPC - Bandwidth Broker Routing Policy Control BBRT - Bandwidth Broker Routing Table BBS – Bandwidth Broker Server BE – Best Effort BGP - Border Gateway Protocol BGP-4 – BGP version 4 CBR – Constant Bit Rate CIDR – Classless Interdomain Routing COPS – Common Open Policy Service CoS - Class of Service DiffServ – Differentiated Services DRPD - Domain Routing Policy Database DS Field - Differentiated Service Field DSCP - Differentiated Service Code-Point EF - Expedited Forward EGP - Exterior Gateway Protocol ERP - Exterior Routing Protocol FTP – File Transfer Protocol ICMP – Internet Control Message Protocol XI.

(12) IGMP – Internet Group Management Protocol IntServ – Integrated Services IP – Internet Protocol IPv4 – IP version 4 IPv6 IP version 6 IPSEC – IP Secure IRP - Interior Routing Protocol LDP – Label Distribution Protocol LSP - Label- Switched Path MD5 - Message-Digest Algorithm version 5 MPLS - Multiprotocol Label Switching MRTG - Multi Router Traffic Grapher NBB – New BB NS – Network Simulator OSPF - Open Shortest Path First PHB – Per Hop Behavior PoP – Point of Presence QBone – Quality backbone QBoneBB - QBone Bandwidth Broker Advisory Council QoS - Quality of Service RAR – Resource Allocation Request RIP – Routing Information Protocol RIP-2 – RIP version 2 RSVP - Resource Reservation Protocol RTT – Round-Trip Time SBM – Subnet Bandwidth Manager SLA - Service Level Agreement SLSs – Service Level Specification SNMP - Simple Network Management Protocol SPF - Shortest Path First TCP – Transport Control Protocol ToS - Type of Service XII.

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(90) Bandwidth Broker Routing Table Router Configuration File. Bandwidth Broker Route Control. Bandwidth Broker Command Line Interfaces. Bandwidth Broker Database Domain Routing Policy Database BBS Log. Bandwidth Broker Routing Policy Control Bandwidth Broker Server. Bandwidth Broker Administrative Server. BBS Configuration. SSL Bandwidth Broker Athentication Tunel Server. Certificate Authority. BBATS Configuration. =. $. &. .. .. 2!. ,:/". N +. * X: ,. .. >. #". " .. BBATS Log. ,(. :. # 6/"(. ". J ,. ,*:/. !* X%. " & /H. 3. %. !F. .. ,. (. N + ,F/". J. ,. N +. ! * XF. :. J ,. .%,*F/ D %. -. (. '. -. &. $. N +. %,*%. J , @. N + :. %. !. & A. %. Router Primitive Definitions. J %. $. !* X: ,F ,:. (. 84.

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(101) # Programando os eventos do $ns at 0.5 "$BBRJ send 10 7 $ns at 0.5 "$BBPE send 2 4 $ns at 0.5 "$BBDF send 5 1. controlador $now $enddata $rate_EF1 $codepoint_EF1" $now $enddata $rate_EF2 $codepoint_EF2" $now $enddata $rate_AF11 $codepoint_AF11". 9. # -. *. +D M. &M. -. *. * #. N :<. !. M. ". ! &. $&. (M .&. N :<). ". ". +<A. 6G. &. ". !. " ". %. ################################################## # Procedimentos para inserir os Controladores # de Banda nos Dominios #Define uma funcao 'recv' para a classe 'Agent/Controladorrj' Agent/Controladorrj instproc recv {from resp_rj} { global ns contEF1 fonteEF1 warmup enddata set now [$ns now] $self instvar node_ if {$resp_rj == 1} { puts "node $from aceitou o RAR." # Inicia as transmissoes possiveis aqui $ns at $now "$contEF1 start" $ns at $now "$fonteEF1 start" $ns at $enddata "$fonteEF1 stop" } else { puts "node $from nao aceitou o RAR." } } // TESTES DE RECURSOS // Marcar o campo 'ret' com valor diferente de 0, evitando que a fonte envie outro echo if (hdrret->src_ == 10) { hdrret->tst_ =1; }. 9. *. 1O. $. =. E ". ". <(. )-. !. <A<.

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