Danilo de Oliveira Gonc¸alves
Simulac¸˜ao Computacional para Auxiliar na Implantac¸˜ao e Medic¸˜ao de
Qualidade de Servic¸o em Rede de Computadores
FEIRA DE SANTANA 2010
Simulac¸˜ao Computacional para Auxiliar na Implantac¸˜ao e Medic¸˜ao de
Qualidade de Servic¸o em Rede de Computadores
Dissertac¸˜ao apresentada como requisito parcial `a obtenc¸˜ao do grau de Bacharel em Engenharia de Computac¸˜ao pela Universidade Estadual de Feira de Santana.
Orientador: Professor Doutor Edgar Silva J´unior
Co-Orientador: Professor Doutor Marcos Ennes Barreto
Feira de Santana 2010
REDES DE COMPUTADORES”, defendida por Danilo de Oliveira Gonc¸alves e aprovada em Dezembro de 2010, em Feira de Santana - Bahia, pela banca examinadora constitu´ıda pelos professores:
Prof. Dr. Edgar Silva J´unior
Departamento de Tecnologia - DTEC/UEFS Orientador
Prof. Dr. Marcos Ennes Barreto
Departamento Departamento de Ciˆencia da Computac¸˜ao -UFBA
Co-Orientador
Prof. Antonio Augusto UEFS - DTEC
pelo apoio fornecido, aos meus amigos, pela ajuda e distrac¸˜ao, e, principalmente, a minha noiva, Silvane Santiago que ´e tudo para mim.
Primeiramente a DEUS seja l´a quem ele for, ou o que ele for.
Aos meus pais em especial, pelas cobranc¸as, pelo apoio e pelos conselhos. Neste momento de grande satisfac¸˜ao somente a eles ´e que devo todo o caminho percorrido e, se n˜ao fosse por eles nada disso seria importante o quanto ´e. A minha irm˜a, Carol, que mesmo distante puxava minha orelha para estudar.
A minha noiva, Silvane Santiago, a ´unica pessoa que amei a fundo, e posso dizer que ´e quem me inspira para fazer tudo que fac¸o na minha vida.
Ao rock and roll que ´e algo que me faz concentrar e prosseguir. Devo a ele todas as m´usicas escutadas durante todo o processo. Tamb´em aos meus companheiros de banda Biscoito, Rafael Brasa, Little Robson e Amanda Queiroz.
Aos mais que amigos, ou melhor irm˜aos, Cl´audio Ari e Angelo Andrade, ao companheiro da noite Z´e M´ario, aos amigos da UEFS Henrique, Eduardo, Ademar, Luis Henrique, Nara, Milton, Ronald, Jorge, dentre outros..., ao companheiro de composic¸˜ao Davi Caldas, ao or´aculo Marcone Assis e a todos que me davam ”corda”o que me impulsionou para frente.
Ao professor Maur´ıcio Cunha Escarpinati pelo apoio e ajuda no in´ıcio do trabalho de conclus˜ao. Ao professor Marcos Ennes pela dedicac¸˜ao e pelo grande apoio e aux´ılio prestado para a conclus˜ao deste trabalho. Ao professor Edgar Silva pelo acolhimento. Ao professor Pedro Ivo Rodrigues pelas dicas e por tudo.
A melhora do desempenho no acesso `as informac¸˜oes em redes de computadores tem sido motivo de investimentos por parte de muitas empresas que atuam em diversos ramos de atividade. Desta forma, a necessidade de qualidade de servic¸o tem crescido bastante entre a maioria das aplicac¸˜oes de rede, principalmente quando se refere a tecnologias emergentes, altamente comprometidas com conte´udo de ´audio e v´ıdeo. Qualidade de servic¸o est´a relacionada, principalmente, a contornar o congestionamento dos fluxos de dados que trafegam na rede. Sendo assim, quesitos como perda, atraso e jitter, devem ser medidos e controlados para se obter melhor desempenho das aplicac¸˜oes sens´ıveis ao congestionamento. Portanto, este estudo cient´ıfico prop˜oe simulac¸˜oes computacionais para mostrar como alcanc¸ar melhorias no desempenho de aplicac¸˜oes multim´ıdias nos mais variados ambientes de redes de computadores utilizando mecanismo de QoS, para ent˜ao, a partir das simulac¸˜oes auxiliar a gerˆencia de redes de computadores na implantac¸˜ao destes mecanismos e na medic¸˜ao da qualidade do tr´afego, propondo melhorias nas configurac¸˜oes para as topologias e cen´arios simulados a fim de obter o melhor desempenho das aplicac¸˜oes e dos recursos da rede.
The improved performance in accessing information on computer networks has been the focus of investment by many companies operating in various industries. Thus, the requirement for quality service has increased enough among the most network applications, especially when it comes to emerging technologies, highly compromised to audio and video content. Quality of service is related primarily to escape the congestion of data flows over the network. Thus, issues such as loss, delay and jitter should be measured and controlled to obtain better performance of congestion-sensitive applications. Therefore, this research proposes computer simulations to show how to achieve enhancements the performance of multimedia applications in diverse environments of networks computer using QoS mechanism, and then, based simulations assist management of networks computer in the deployment of these mechanisms and measuring the traffic quality, proposing improvements in the settings to topologies and scenarios simulated to obtain the best performance of applications and network resources.
Figura 1 Efeito do Jitter (MARTINS, 2000) . . . 24
Figura 2 Sinalizac¸˜ao de solicitac¸˜ao de recurso atrav´es do RSVP (CARLSON, 2003) adaptado de Kurose e Ross (2005) . . . 28
Figura 3 Exemplo DiffServ (CARLSON, 2003) adaptado de Kurose e Ross (2005) . . . . 30
Figura 4 Exemplo de rede utilizando MPLS (INOVE, 2010) . . . 31
Figura 5 Exemplo de Roteamento baseado em QoS. Adaptado de Jain (1999) . . . 34
Figura 6 Soluc¸˜ao utilizando IntServ e DiffServ. Adaptado de DBCnet (2010) . . . 38
Figura 7 Envio de mensagens RTCP (KUROSE; ROSS, 2005) . . . 39
Figura 8 Comunicac¸˜ao do H.323 com as redes de telefonia (KUROSE; ROSS, 2005) . . . 40
Figura 9 Camadas do modelo OSI (HOWSTUFFWORKS, 2000) . . . 43
Figura 10 C´elula ATM (CREARE, 2010) . . . 48
Figura 11 Estrutura de Rede de longa distˆancia com ATM. Adaptado de Solution (2010) 49 Figura 12 Fluxograma das etapas de simulac¸˜ao . . . 50
Figura 13 Topologia da Rede com FIFO. Elaborada no Software OPNET IT Guru Academic Edition. . . 61
Figura 14 Topologia da Rede com filas de prioridade. Elaborada no Software OPNET IT Guru Academic Edition. . . 62
Figura 16 Estat´ısticas medidas no primeiro projeto de simulac¸˜ao. Capturada do Software OPNET IT Guru Academic Edition. . . 64
Figura 17 Gr´afico de eventos no momento da simulac¸˜ao do cen´ario com filas de prioridade. Capturada do Software OPNET IT Guru Academic Edition. . . . 64
Figura 18 Tela de Log ao fim da simulac¸˜ao. Capturada do Software OPNET IT Guru Academic Edition. . . 65
Figura 19 (a)Tr´afego de voz recebido (b) Atraso fim-a-fim da comunicac¸˜ao de voz (c) Variac¸˜ao do atraso na comunicac¸˜ao de voz. Gr´afico de eventos no momento da simulac¸˜ao do cen´ario sem filas de prioridade. Capturada do Software OPNET IT Guru Academic Edition. . . 66
Figura 20 Tempo de resposta de download FTP. Capturada do Software OPNET IT Guru Academic Edition. . . 67
Figura 21 Tempo de resposta de de p´aginas HTTP. Capturada do Software OPNET IT Guru Academic Edition. . . 68
Figura 22 Topologia da Rede sem DiffServ. Elaborada no Software OPNET IT Guru Academic Edition. . . 69
Figura 23 Topologia da Rede com DiffServ. Elaborada no Software OPNET IT Guru Academic Edition. . . 70
Figura 24 Estat´ısticas medidas no segundo projeto simulac¸˜ao. Capturada do Software OPNET IT Guru Academic Edition. . . 71
Figura 25 Gr´afico de eventos no momento da simulac¸˜ao do cen´ario sem DiffServ. Capturada do Software OPNET IT Guru Academic Edition. . . 72
Figura 27 (a)Tr´afego de voz recebido (b) Atraso fim-a-fim da comunicac¸˜ao de voz (c) Variac¸˜ao do atraso na comunicac¸˜ao de voz. Gr´afico de eventos no momento da simulac¸˜ao do cen´ario sem filas de prioridade. Capturada do Software OPNET IT Guru Academic Edition. . . 74
Figura 28 Topologia da Rede WAN sem QoS. Elaborada no Software OPNET IT Guru Academic Edition. . . 75
Figura 29 Topologia da Rede WAN com QoS. Elaborada no Software OPNET IT Guru Academic Edition. . . 76
Figura 30 Estat´ısticas medidas no terceiro projeto simulac¸˜ao. Capturada do Software OPNET IT Guru Academic Edition. . . 77
Figura 31 Gr´afico de eventos no momento da simulac¸˜ao do cen´ario com QoS. Capturada do Software OPNET IT Guru Academic Edition. . . 77
Figura 32 Tela de Log ao fim da simulac¸˜ao. Capturada do Software OPNET IT Guru Academic Edition. . . 78
Figura 33 (a)Tr´afego de video recebido (b) Atraso fim-a-fim da comunicac¸˜ao de videoconferˆencia (c) Variac¸˜ao do atraso na comunicac¸˜ao de videoconferˆencia. Gr´afico de eventos no momento da simulac¸˜ao do cen´ario sem filas de prioridade. Capturada do Software OPNET IT Guru Academic Edition. . . . 79
Tabela 1 Relac¸˜ao taxa de transmiss˜ao com aplicac¸˜oes. Adaptado de Martins (2000) . . 22
Tabela 2 Resumo sobre parˆametros do QoS . . . 25
Tabela 3 Resumo dos m´etodos de obtenc¸˜ao de QoS . . . 36
Tabela 4 S´ıntese dos protocolos espec´ıficos para transmiss˜ao multim´ıdia . . . 42
Tabela 5 Resumo dos simuladores analisados . . . 55
Tabela 6 Resumo dos cen´arios, parˆametros e objetivos . . . 59
ATM Asynchronous Transfer Mode
BECN Backward Explicit Congestion Notification
CBQ Class-Based Queueing
CIR Committed Information Rate
CR-LDP Constraint-based Routing Label Distribution. Protocol DiffServ Differentiated Services
DS Differentiated Service
DSCP Differentiated Services Codepoint DHCP Dinamic Host Configuration Protocol
EIR Exceeded Informantion Rate
FDDI Fiber Distibuted Data Interface
FEC Forward Equivalence Class
FECN Forward Explicit Congestion Notification FIFO First-in First-out
FQ Fair Queueing
FTP File Transfer Protocol
GPS Global Positioning System
HTTP HyperText Transfer Protocol ICI Interface Control Information ICMP Internet Control Message Protocol IETF Internet Engineering Task Force IntServ Integrated Services
IP Internet Protocol
ISO International Organization for Standardization
LAN Local Area Network
LDP Label Distribution Protocol
LSR Label Switching Router
LSP Label Switching Patch
MPLS Multiprotocol Label Switching OSI Open Systems Interconnection PNI Plano Nacional de Inform´atica
PPP
QoS Quality of Service
QoSR QoS Routing
RFC Request for Comments
RSVP Resource ReSerVation Protocol
RSVP-TE Resource Reservation Setup Protocol with Traffic Engineering RTCP Real Time Transport Control Protocol
RTP Real Time Protocol
RTSP Real Time Streaming Protocol
RTT Round Trip Time
SFQ Stochastic Fair Queueing
SIP Session Initiation Protocol
SLA Service Legal Agreements
SLDD Servic¸o por Linha Dedicada Digital SMTP Simple Mail Transfer Protocol
TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol
ToS Type of Service
UDP User Datagram Protocol
VoIP Voice over IP
VPN Virtual Private Network
WAN Wide Area Network
WEB World Wide Web
1 Introduc¸˜ao . . . 16
2 Fundamentac¸˜ao Te´orica . . . 19
2.1 Qualidade de Servic¸o em Redes de Computadores . . . 19
2.2 O que ´e Qualidade de Servic¸o? . . . 20
2.2.1 Parˆametros de Qualidade de Servic¸o . . . 21
2.2.1.1 Taxa de transmiss˜ao . . . 21
2.2.1.2 Perda de Pacotes . . . 22
2.2.1.3 Latˆencia e Atraso . . . 23
2.2.1.4 Jitter . . . 23
2.2.1.5 Disponibilidade . . . 24
2.2.2 M´etricas e Medic¸˜oes em Qualidade de Servic¸o . . . 25
2.2.2.1 M´etricas da Qualidade de Servic¸o . . . 25
2.2.2.2 Medic¸˜ao Ativa X Passiva . . . 26
2.2.3 Obtendo Qualidade de Servic¸o . . . 26
2.2.3.1 Servic¸os Integrados . . . 27
2.2.3.2 Servic¸os Diferenciados . . . 28
2.2.3.3 MPLS . . . 30
2.2.3.4 Engenharia de Tr´afego . . . 32
2.2.3.5 Roteamento QoS . . . 33
2.2.3.6 Algoritmos de Escalonamento e Buferizac¸˜ao . . . 34
2.2.3.7 Resumo dos m´etodos de obtenc¸˜ao de QoS . . . 36
2.2.4 Protocolos Espec´ıficos para Transmiss˜ao Multim´ıdia . . . 38
2.2.4.1 RTP . . . 39
2.2.4.2 RTCP . . . 39
2.2.4.3 RTSP . . . 40
2.2.4.4 H.323 . . . 40
2.2.4.5 SIP . . . 41
2.3 Aspectos da Qualidade de Servic¸o em Arquiteturas de Redes . . . 42
2.3.2.2 QoS nas Redes de longa distˆancia . . . 45
2.3.3 Fatores de Qualidade de Servic¸o na Internet . . . 48
2.4 Simulac¸˜ao Computacional . . . 49
2.4.1 An´alise dos Simuladores de Redes . . . 51
2.4.1.1 Network Simulator. . . 51
2.4.1.2 OPNET IT Guru Academic Edition . . . 52
2.4.1.3 CNET . . . 53
2.4.1.4 OMNeT++ . . . 54
2.4.1.5 J-Sim . . . 54
2.4.2 Resumo da An´alise dos Simuladores . . . 55
3 Metodologia . . . 57
4 An´alise dos Resultados . . . 60
4.1 Primeiro Projeto de Simulac¸˜ao: Pol´ıticas de Escalonamento para se Obter QoS . . . 60
4.1.1 Primeiro Cen´ario - FIFO . . . 61
4.1.2 Segundo Cen´ario - Fila de Prioridade (PQ) . . . 62
4.1.3 Terceiro Cen´ario - Escalonamento por ponderac¸˜ao (WFQ) . . . 62
4.1.4 Simulac¸˜ao e Apresentac¸˜ao dos Resultados . . . 63
4.1.4.1 An´alise dos Resultados . . . 63
4.2 Segundo Projeto de Simulac¸˜ao: QoS com Diferenciac¸˜ao de Servic¸o (DiffServ) na Internet . . . 67
4.2.1 Primeiro Cen´ario - Sem DiffServ . . . 68
4.2.2 Segundo Cen´ario - Com DiffServ . . . 70
4.2.3 Simulac¸˜ao e Apresentac¸˜ao dos Resultados . . . 70
4.2.3.1 An´alise dos Resultados . . . 71
4.3 Terceiro Projeto de Simulac¸˜ao: Aplicac¸˜ao Multim´ıdia em redes WAN com QoS . . . . 73
4.3.1 Primeiro Cen´ario - Sem QoS . . . 73
4.3.2 Segundo Cen´ario - Com QoS . . . 75
4.3.3 Simulac¸˜ao e Apresentac¸˜ao dos Resultados . . . 75
4.3.3.1 An´alise dos Resultados . . . 76
4.4 Resumo dos resultados . . . 78
1
Introduc¸˜ao
A necessidade de acesso e de compartilhamento da informac¸˜ao foram fatores que contribu´ıram para o avanc¸o das redes de computadores, principalmente para pesquisa cient´ıfica. A identificac¸˜ao da necessidade de troca de informac¸˜oes se deu em ˆambito nacional, principalmente, com a implantac¸˜ao do PNI (Plano Nacional de Inform´atica), a partir da d´ecada de 1970 (ROSENTHAL; MEIRA, 1995). Desde ent˜ao, as redes de computadores, que j´a eram importantes no cen´ario tecnol´ogico e militar h´a um certo tempo, passaram a ser utilizadas pela populac¸˜ao em geral devido `a disseminac¸˜ao da Internet1.
Desde 1991, quando o Brasil ingressou na Internet, os esforc¸os em torno de infra-estrutura de redes concentraram-se em ampliac¸˜ao da capacidade de comunicac¸˜ao de dados, atrav´es de upgrade de enlaces de dados para transferˆencias de arquivos, consulta a base de dados e correio eletrˆonico (STANTON, 2000). No entanto, as redes de computadores atuais tˆem mostrado a necessidade de garantias efetivas de qualidade de tr´afego ao contr´ario da tecnologia usada de melhor esforc¸o, pois as necessidades agora incluem transmiss˜ao de multim´ıdia interativa, difus˜ao seletiva (multicast), v´ıdeo-conferˆencia, telefonia IP (Internet Protocol), com disponibilidade para transmiss˜ao em tempo real. Desta forma, assim como a Internet evoluiu e continua evoluindo com o passar do tempo, as aplicac¸˜oes tamb´em evoluem, necessitando agora n˜ao somente de taxa de transmiss˜ao, mas tamb´em de qualidade no tr´afego gerado, entre outros fatores que s˜ao abordados nos conceitos de Quality of Service (QoS), ou em portuguˆes Qualidade de Servic¸o.
O contexto atual permite visualizar a Internet como sendo a soluc¸˜ao de infra-estrutura global para integrac¸˜ao de redes de informac¸˜ao, com capacidade para transportar informac¸˜oes existentes entre dois hosts2 presentes nesta rede. A Internet tem suportado o crescimento de usu´arios conectados a ela, onde cada um deste demanda um tipo e quantidade de tr´afego, espec´ıfico ou n˜ao. A medida que os mais variados tipos de dados e servic¸os passam` a ser acessados pelos usu´arios da rede, a demanda por melhores condic¸˜oes de tr´afego e armazenamento de dados s˜ao requeridas para que se oferec¸a servic¸os com qualidade e garantia de acesso. As redes de computadores vˆem apresentando grandes mudanc¸as ao longo dos anos, principalmente devido `a quantidade de novos usu´arios, ao surgimento de novas tecnologias de alta velocidade e aos novos aplicativos utilizados na rede, principalmente aplicativos
1Rede que interconecta milh˜oes de equipamentos de computac¸˜ao em todo o mundo (KUROSE; ROSS, 2005) 2Qualquer equipamento ou computador conectado a uma rede (WHATIS.COM´S, 2002).
multim´ıdia. Transmitir os dados, portanto, n˜ao ´e apenas suficiente. A garantia de qualidade do tr´afego enviado pela origem da transmiss˜ao passa a ser elemento determinante na comunicac¸˜ao entre os hosts das redes de computadores atuais.
A taxa de transmiss˜ao vem sendo um dos assuntos mais abordados no segmento de redes de computadores. Cada vez mais, as pessoas utilizam a Internet para diferentes fins (comerciais, pessoais, entre outros), aumentando exponencialmente a quantidade de dados que trafega na Internet. Muitos dos novos aplicativos utilizados possuem recursos multim´ıdia, como os programas utilizados para videoconferˆencia, que precisam cada vez de mais de taxa de transmiss˜ao. Para os programas mais comuns, a Internet atende na forma como ´e, sem garantias de qualidade de servic¸o, como taxa de transmiss˜ao, controle de congestionamento, atraso e perdas. Para os aplicativos em tempo real, a necessidade de maior taxa de transmiss˜ao torna estas soluc¸˜oes cr´ıticas e identifica-se a necessidade de definir parˆametros de QoS a serem monitorados e dimensionados a atender a demanda das soluc¸˜oes.
Um dos objetivos deste trabalho de conclus˜ao de curso, atentando para as mudanc¸as que vem ocorrendo nas redes de computadores, principalmente a Internet, ´e mostrar que, devido a estas mudanc¸as, os conceitos de QoS devem ser implantados e monitorados para garantir a qualidade esperada pelos atuais usu´arios e pelas aplicac¸˜oes que utilizam estas redes. Desta forma, esse estudo pretende identificar quais as ac¸˜oes e requisitos necess´arios ao administrador de rede e, por conseguinte `a rede de computadores administrada, para se garantir acesso aos servic¸os e dados pelos usu´arios com m´axima disponibilizac¸˜ao e priorizac¸˜ao de tr´afego se necess´ario.
Partindo deste pressuposto, a metodologia foi realizar an´alises de algumas aplicac¸˜oes mais comuns no cen´ario atual de redes de computadores utilizando algum software de simulac¸˜ao de redes. Foram escolhidos dois tipos de aplicac¸˜oes: um tipo que independe de QoS e outro tipo que depende de qualidade de servic¸o para garantir o seu melhor funcionamento. Sendo assim, foram simuladas as aplicac¸˜oes escolhidas com gargalos propositados e tr´afegos concorrentes para provocar o congestionamento e ent˜ao comparados os resultados obtidos entre os diferentes tipos de aplicac¸˜ao com e sem a aplicac¸˜ao de mecanismos de QoS.
A simulac¸˜ao computacional pode ser vista como uma “ferramenta” interessante para auxiliar a implantac¸˜ao de qualidade de servic¸o em redes, tendo como objetivo fornecer informac¸˜oes sobre poss´ıveis problemas na manutenc¸˜ao da qualidade de servic¸o a fim de auxiliar o monitoramento e gerenciamento de redes de computadores.
Este trabalho de conclus˜ao de curso est´a dividido em cinco partes. No pr´oximo cap´ıtulo ser´a apresenta a fundamentac¸˜ao te´orica, onde os assuntos relacionados e relevantes ao desenvolvimento do trabalho s˜ao detalhados e aprofundados. No cap´ıtulo trˆes, ´e apresentada
a metodologia adotada para o desenvolvimento das simulac¸˜oes computacionais. No cap´ıtulo quatro ´e detalhada a etapa de simulac¸˜ao e apresentados os resultados, seguido das an´alises. Por fim, o ´ultimo cap´ıtulo traz a conclus˜ao final deste trabalho.
2
Fundamentac¸˜ao Te´orica
2.1
Qualidade de Servic¸o em Redes de Computadores
Nas redes de computadores atuais s˜ao encontrados os mais variados tipos de servic¸os de dados, a serem disponibilizados para os usu´arios. Dentre os principais servic¸os de redes de dados ent˜ao: VoIP (Voice over IP), acesso a p´aginas HTTP (Hypertext Transfer Protocol) na Internet, servic¸o de envio SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) e recebimento POP3 (Post Office Protocol) de mensagem eletrˆonica (e-mail). Sendo assim, no contexto atual de redes de computadores, a simples a troca de informac¸˜ao entre os computadores da rede n˜ao ´e o bastante, levando a se pensar no que fazer para realiz´a-la com qualidade.
A necessidade de mecanismos que possam prover qualidade nas transmiss˜oes de dados entre computadores na rede originou o que ´e chamado de QoS, ou em portuguˆes Qualidade de Servic¸o. Identificar programas, servic¸os utilizados e necessidades dos usu´arios em uma rede de computadores ´e fundamental para definir quais os crit´erios de Qualidade de Servic¸o deve-se aplicar, objetivando melhoria no tr´afego dos dados das aplicac¸˜oes.
Elementos de controle e monitoramento de qualidade de servic¸o no tr´afego de pacotes na Internet, ou em qualquer outra rede, se fazem necess´arios devido ao aumento da quantidade de dados transmitidos e da caracter´ıstica desses dados, como aplicac¸˜oes multim´ıdia, que requerem certa qualidade garantida para que seja de f´acil entendimento ao chegar ao destino. A Internet ´e um ambiente n˜ao-orientado `a conex˜ao, ou seja, inexiste mecanismo de diferenciac¸˜ao de pacotes, todos possuem a mesma probabilidade de serem descartados ou priorizados. Apesar de esse ambiente ter atendido a muitas aplicac¸˜oes, o surgimento de mais usu´arios e de aplicac¸˜oes multim´ıdia tem configurado a necessidade de outro cen´ario. Aplicac¸˜oes em tempo real usando fluxo de m´ıdia (streaming1) e VoIP s˜ao exemplos destas aplicac¸˜oes que requerem garantia na qualidade do servic¸o oferecido.
O estudo das aplicac¸˜oes multim´ıdia remete para a necessidade de requisitos de desempenho que n˜ao podem ser satisfeitos pelo servic¸o de “melhor esforc¸o”2, t´ıpico da Internet atual. Dessa forma dependendo da aplicac¸˜ao em curso, ser´a necess´ario estabelecer limites de
1Forma de distribuir informac¸˜ao multim´ıdia numa rede atrav´es de pacotes
2Aplicac¸˜oes na rede enviam seus dados e compartilham a taxa de transmiss˜ao com todos os outros fluxos de
dados. Os fluxos realizam a melhor forma poss´ıvel para chegar ao seu destino, conforme as rotas definidas. Quando h´a congestionamento pacotes s˜ao descartados sem distinc¸˜ao. N˜ao h´a garantia de que o servic¸o ser´a realizado com sucesso, nem mesmo de desempenho.(RNP, 1999)
atraso, variac¸˜ao de atraso, taxa de transmiss˜ao e taxa de perda de pacotes. A Internet na forma como se conhece n˜ao tem como oferecer garantias de QoS (LIMA, 2008).
Em geral, n˜ao existe projeto de rede em que se possa disponibilizar altas taxas de transmiss˜ao independente de us´a-las ou n˜ao. Aperfeic¸oar a utilizac¸˜ao de banda significa evitar desperd´ıcios e reduzir custos (SOARES; FREIRE, 2002). A disponibilizac¸˜ao dos servic¸os atrav´es dos servidores ´e uma das formas do administrador de rede coordenar os servic¸os oferecidos, controlar o acesso aos recursos e priorizar determinados tipos de acesso de acordo com pol´ıticas de seguranc¸a e de necessidade de atenc¸˜ao a servic¸os espec´ıficos.
2.2
O que ´e Qualidade de Servic¸o?
Qualidade de Servic¸o ´e a garantia que pressup˜oe a entrega constante, previs´ıvel e satisfat´oria de um servic¸o, processo ou informac¸˜ao. Toda tecnologia de rede possui suas peculiaridades e definic¸˜oes de fatores de desempenho pr´oprias, isto ´e, cada uma possui sua maneira de tratar a aplicac¸˜ao e de garantir `a mesma os n´ıveis m´ınimos de qualidade para sua execuc¸˜ao (SOARES; FREIRE, 2002). Desta Forma, Qualidade de servic¸o significa provisionar recursos da rede suficientes para que as aplicac¸˜oes alcancem um desempenho aceit´avel. Basicamente, os parˆametros ou vari´aveis de QoS analisados nas redes de computadores s˜ao perda, atraso e jitter3(MARTINS, 2000). A QoS pode ser definida de forma mais ampla como o agregado de todas as m´etricas de desempenho relevantes na definic¸˜ao do n´ıvel de servic¸o, onde, diferentes aplicac¸˜oes requerem diferentes n´ıveis de QoS (LIMA, 2008).
QoS engloba fatores como taxa de transmiss˜ao, priorizac¸˜ao de tr´afego de dados e controle de latˆencia da rede para as aplicac¸˜oes. Existem diversas maneiras de se garantir QoS na rede, uma delas ´e disponibilizando maiores taxas de transmiss˜ao at´e que a qualidade no envio e recebimento de dados fiquem aceit´aveis. Por´em, deve ficar claro que em vistas dos custos relacionados com aumento da taxa de transmiss˜ao, fazˆe-la, n˜ao significa priorizar ou melhorar o tr´afego (SOARES; FREIRE, 2002).
Segundo a Rede Nacional de Ensino e Pesquisa, a Qualidade de Servic¸o pode ser observada de duas formas:
[...] “do ponto de vista da aplicac¸˜ao ou da rede. Para uma aplicac¸˜ao, oferecer seus servic¸os com qualidade significa atender `as expectativas do usu´ario em termos do tempo de resposta e da qualidade, muitas vezes subjetiva, do servic¸o que est´a sendo provido, ou seja, fidelidade adequada do som e/ou da imagem sem ru´ıdos nem congelamentos. A qualidade de servic¸o da rede depende das necessidades da aplicac¸˜ao, ou seja, do que ela requisita da rede a fim de que funcione bem e atenda, por sua vez, `as necessidades do usu´ario. Estes requisitos s˜ao traduzidos em parˆametros indicadores do desempenho da rede
como, por exemplo, o atraso m´aximo sofrido pelo tr´afego da aplicac¸˜ao entre o computador origem e destino.” (RNP, 2003, p.1).
Para qualificar o QoS em redes IP, dentre v´arios parˆametros existentes, as caracter´ısticas da taxa de transmiss˜ao, atraso, priorizac¸˜ao, fragmentac¸˜ao e correc¸˜ao de erros se destacam. Esses parˆametros s˜ao cada vez mais importantes devido ao crescimento de servic¸os que demandam multim´ıdia (v´ıdeo, dados, voz e imagem), a exemplo de Voz sobre IP, V´ıdeo-Conferˆencia, V´ıdeo sobre IP, Com´ercio Eletrˆonico, Educac¸˜ao a Distˆancia (EAD) e Aplicac¸˜oes em Tempo Real.
Na pr´atica, QoS n˜ao ´e um recurso que se escolhe usar em determinadas transmiss˜oes e em outras n˜ao, como se fosse um ”bot˜ao liga e desliga”, mas sim um conjunto de procedimentos e func¸˜oes que juntos implementam a qualidade de servic¸o necess´aria para as aplicac¸˜oes da rede (SOARES; FREIRE, 2002).
2.2.1 Parˆametros de Qualidade de Servic¸o
O projeto da Internet foi realizado sem prover qualidade de servic¸o, fazendo com que esta funcionasse exigindo o melhor esforc¸o para fornecer seus servic¸os. Segundo Tanenbaum (2003), QoS ´e um conjunto de parˆametros que expressam requisitos de qualidade, como taxa de transmiss˜ao, uso de buffers, definic¸˜ao de prioridades e estimativa de perdas m´ınimas para um fluxo de dados. O protocolo IP suporta apenas a QoS de melhor esforc¸o. Os pacotes s˜ao transmitidos da origem at´e o destino sem garantia de taxa de transmiss˜ao ou atraso m´ınimo. No modelo do melhor esforc¸o, as solicitac¸˜oes s˜ao processadas a medida que chegam, sem priorizac¸˜ao de tr´afego, deixando aplicac¸˜oes que necessitem de prioridade no tr´afego sem esse servic¸o.
A qualidade de servic¸o tamb´em ´e definida como a medida do desempenho para uma rede de computadores que reflita sua disponibilidade e qualidade do servic¸o de transmiss˜ao. A disponibilidade do servic¸o ´e algo muito importante, ´e necess´ario que se tenha infra-estrutura projetada para estar dispon´ıvel de acordo com a demanda da rede (SAMPAIO, 2006).
As vari´aveis s˜ao indicadores a serem medidos, monitorados e interpretados representando analogamente o que est´a ocorrendo no tr´afego de pacotes das redes. ´E certo que apenas o monitoramento destas vari´aveis n˜ao ´e suficiente para assegurar uma completa leitura de tudo o que acontece na redes, mas sabe-se que estudos acompanhados dos dados destas vari´aveis permitem uma melhor compreens˜ao do que ocorre nestas redes.
2.2.1.1 Taxa de transmiss˜ao
O acesso `a rede de computadores, seja em uma rede local (LAN - Local Area Network) ou em uma rede de grande abrangˆencia (WAN - Wide Area Network), como a Internet, tem necessitado cada vez mais de maior disponibilidade do meio de transmiss˜ao
para o tr´afego dos dados, pois os aplicativos possuem caracter´ısticas que tornam os dados trafegados ”pesados”, t´ıpico de aplicac¸˜oes multim´ıdia. Portanto ter o meio de transmiss˜ao com maior disponibilidade e maior capacidade de enviar um volume de dados por segundo simultaneamente, s˜ao caracter´ısticas que ajudam a definir taxa de transmiss˜ao.
taxa de transmiss˜ao ´e a quantidade em bits/s que a rede suporta. A taxa de transmiss˜ao ´e uma propriedade f´ısica do meio de transmiss˜ao, por isso muitas vezes chamada tamb´em de taxa de transmiss˜ao, que em geral depende da construc¸˜ao, da espessura e do comprimento do meio de transmiss˜ao(TANENBAUM, 2003). A tabela 1 mostra a relac¸˜ao de algumas aplicac¸˜oes mais comuns nas redes atuais com a suas respectivas taxas de transmiss˜ao.
Tabela 1: Relac¸˜ao taxa de transmiss˜ao com aplicac¸˜oes. Adaptado de Martins (2000)
Aplicac¸˜ao Taxa de transmiss˜ao Aplicac¸˜oes Transacionais 1Kbps a 50Kbps
Voz 10Kbps a 120Kbps
Aplicac¸˜oes WEB 10Kbps a 500Kbps
Transferˆencia de arquivos (grandes) 10Kbps a 1Mbps
Video (Streaming) 100Kbps a 1Mbps
Aplicac¸˜oes de Conferˆencia 500Kbps a 1Mbps
V´ıdeo MPEG 1Mbps a 10Mbps
Aplicac¸˜oes de Realidade Virtual 80Mbps a 150Mbps
O parˆametro taxa de transmiss˜ao ´e o mais b´asico de QoS, se tornando necess´ario para o funcionamento de qualquer aplicac¸˜ao atualmente. Contudo, em alguns casos, pode haver situac¸˜oes em que um filtro ´e introduzido no circuito de comunicac¸˜ao para limitar o volume de taxa de transmiss˜ao dispon´ıvel para cada cliente.
2.2.1.2 Perda de Pacotes
As perdas de pacotes nas redes IP s˜ao um grande problema para determinadas aplicac¸˜oes como, por exemplo, Voz sobre IP, pois a perda de pacotes com os dados da voz digitalizada implica numa perda de qualidade n˜ao aceit´avel neste tipo de aplicac¸˜ao. Nesse sentido, dentre todos os aspectos da qualidade de servic¸o da rede, a perda de pacotes ´e uma preocupac¸˜ao bastante relevante no sentido de especificar e garantir limites razo´aveis de perdas que permitam uma operac¸˜ao adequada da aplicac¸˜ao (MARTINS, 2000).
Souza (2004) define perda de pacotes como sendo:
e o n´umero de pacotes enviados em certo intervalo de tempo. Este parˆametro pode indicar que a taxa de transmiss˜ao de um terminal est´a incompat´ıvel com a capacidade da rede”. (SOUZA, 2004, p.7).
A partir destas informac¸˜oes pode-se determinar que ac¸˜oes devem ser tomadas para manter um n´ıvel de servic¸o adequado para a rede de computadores.
2.2.1.3 Latˆencia e Atraso
O atraso sofrido por um pacote at´e atingir seu destino final leva em conta o tempo que os pacotes esperam em filas de roteamento (latˆencia), o tempo de propagac¸˜ao no meio f´ısico e o tempo gasto com processamento nos terminais da rede (MARTINS, 2000). Assim, latˆencia ´e definida como o tipo de “atraso” que ocorre dentro dos equipamentos, j´a atraso ´e o que ocorre devido ao meio f´ısico. De forma geral, atraso ´e o per´ıodo de inatividade entre um est´ımulo e a resposta por ele provocada.
O atraso geral, mas conhecido em redes de comutadores como atraso fim-a-fim, ´e a soma de todos os intervalos de tempo gastos desde a origem at´e o destino no envio de um pacote de dados. Incluem tempos de processamento, “serializac¸˜ao”, propagac¸˜ao, enfileiramento, “bufferizac¸˜ao”. No exemplo da voz, o atraso ´e definido como o tempo gasto pelo som a partir da boca do emissor at´e atingir a orelha do ouvinte (MARTINS, 2000).
Os dois termos s˜ao utilizados para expressar delay, por´em, geralmente, aplica-se latˆencia para o tempo de propagac¸˜ao dos dados dentro dos equipamentos e atraso para o tempo de propagac¸˜ao de dados na transmiss˜ao ao longo do meio. O tempo de processamento dos dados nos equipamentos, latˆencia, pode ser reduzido com eficientes processadores, por´em sobre o tempo de transmiss˜ao dos dados ao longo do meio f´ısico ou nas redes sem fio, n˜ao se tem muito poder de ac¸˜ao, por ser caracter´ıstico do meio f´ısico.
Manter as redes IP operando em um n´ıvel de atraso que n˜ao prejudique o provimento dos servic¸os das aplicac¸˜oes ´e um dos objetivos da gerˆencia de redes que administra baseada em parˆametros de qualidade de servic¸o.
2.2.1.4 Jitter
O jitter ´e caracterizado pelas variac¸˜oes no tempo de entrega de um pacote, ou seja, variac¸˜ao do atraso. Essa variac¸˜ao tem relac¸˜ao direta com a demanda de uso da rede. O jitter ´e importante para as aplicac¸˜oes cuja operac¸˜ao dependa, de alguma forma, da garantia de que as informac¸˜oes devem ser processadas em per´ıodos de tempo bem definidos (MARTINS, 2000).
Por exemplo, se um pacote gasta 100 milissegundos (ms) para atravessar a rede de origem at´e o destino e o pacote seguinte utiliza 125 ms para fazer o mesmo percurso, o jitter calculado ´e de 25 ms. No caso de voz, a existˆencia de jitter afeta negativamente a qualidade
da voz para o receptor. Cada estac¸˜ao possui seu buffer de jitter para amenizar os atrasos de chegada dos pacotes que tˆem voz.
Martins (2000) ilustra, na figura 1 o efeito do jitter entre a entrega de pacotes. Observe que o jitter causa n˜ao somente a entrega com periodicidade vari´avel como tamb´em a entrega de pacotes fora de ordem.
Figura 1: Efeito do Jitter (MARTINS, 2000)
Os pacotes que chegam ao receptor de forma vari´avel ocasionam variac¸˜ao na latˆencia e em conseq¨uˆencia disso, a aplicac¸˜ao no destino deve criar um buffer, gerando mais atraso, para completar a transmiss˜ao. Por isso ´e importante termos latˆencia e jitter baixos em aplicac¸˜oes multim´ıdia, como nas videoconferˆencias.
2.2.1.5 Disponibilidade ´
E dif´ıcil estabelecer uma medida de disponibilidade para definir se a rede opera com bons n´ıveis de servic¸o, por´em as t´ecnicas para oferecer confiabilidade no acesso aos aplicativos da rede, buscando a disponibilidade em cem por cento do tempo, devem ser propostas na fase de projeto da rede de dados.
A disponibilidade depende de fatores caracter´ısticos da qualidade dos equipamentos utilizados na rede de dados, da tecnologia de enlace utilizada no ambiente da LAN e da WAN, principalmente da qualidade do link de dados de acesso `a Internet e depende ainda de terceiros, no monitoramento e suporte na resoluc¸˜ao dos problemas de queda no fornecimento do servic¸o, quando se trata de acesso WAN.
As empresas que dependem cada vez mais das redes de computadores para viabilizar seus neg´ocios, como por exemplo, com´ercio eletrˆonico, atendimento online, servic¸os banc´arios, entre outros, dependem tamb´em do requisito disponibilidade. A disponibilidade ´e uma medida da garantia de execuc¸˜ao da aplicac¸˜ao ao longo do tempo(MARTINS, 2000).
Tabela 2: Resumo sobre parˆametros do QoS
Parˆametro Definic¸˜ao
Perda de Pacotes Implica em perda de qualidade aceit´avel em determinadas aplicac¸˜oes Latˆencia Tempo de propagac¸˜ao dos dados dentro dos equipamentos
Atraso Tempo de propagac¸˜ao de dados na transmiss˜ao ao longo do meio Jitter Variac¸˜oes no tempo de entrega de um pacote, ou seja, variac¸˜ao do atraso Taxa de transmiss˜ao Quantidade de bit/s que uma rede suporta. Taxa de transmiss˜ao
Disponibilidade Disponibilizac¸˜ao dos servic¸os dependendo de outros fatores envolvidos
2.2.2 M´etricas e Medic¸˜oes em Qualidade de Servic¸o 2.2.2.1 M´etricas da Qualidade de Servic¸o
A an´alise de tr´afego da rede permite identificar problemas relacionados `as quest˜oes de seguranc¸a e projeto da rede. Invas˜oes, comprometimento do desempenho e quest˜oes de infra-estrutura podem ser detectados atrav´es da an´alise de tr´afego.
Na an´alise e monitoramento do tr´afego ´e poss´ıvel observar o comportamento dos pacotes transmitidos pela rede de computadores, de acordo com crit´erios de quantidade de colis˜oes, tipos dos pacotes por protocolo de rede, n´umero de pacotes enviados e pacotes recebidos por estac¸˜ao, entre outros indicadores que podem ser escolhidos para serem monitorados.
Efetuar a medic¸˜ao do desempenho em redes com qualidade de servic¸o prevista ´e de grande importˆancia, pois permite contabilizar qual e quanto tr´afego recebe tratamento diferenciado. Essa an´alise permite, por exemplo, diferenciar o tr´afego destinado para parˆametros e configurac¸˜oes suportadas pela qualidade de servic¸o e o tr´afego t´ıpico de melhor esforc¸o. Dessa forma pode-se concluir se as medidas tomadas s˜ao suficientes para garantir um bom desempenho das aplicac¸˜oes da rede (MELO, 2009).
Monitorar os parˆametros de qualidade de servic¸o ´e crucial para observar os objetos de medic¸˜ao. E fundamental a utilizac¸˜ao de uma m´etrica que permita adquirir informac¸˜oes´ acerca da qualidade de servic¸o fornecida pela rede de pacotes, como perda, atraso ou jitter. A disponibilidade de uma m´etrica permite visualizar significativamente acerca do funcionamento do sistema de comunicac¸˜ao, suportando assim decis˜oes do administrador relativas ao projeto da rede, `a aquisic¸˜ao de novos recursos e configurac¸˜oes do ambiente, al´em de permitir estudos comparativos para aquisic¸˜ao de novas tecnologias e soluc¸˜oes IP objetivando melhoria da rede de pacotes (QUADROS, 1997).
com medic¸˜ao ativa e a partir do protocolo SNMP (Simple Network Management Protocol), usando estac¸˜oes de gerenciamento.
A definic¸˜ao e utilizac¸˜ao das m´etricas de monitoramento devem estar alinhadas ao que se deseja monitorar com regras bem definidas. As m´etricas n˜ao devem mostrar variac¸˜ao para redes IP iguais, e ainda, devem mostrar pouca variac¸˜ao em redes IP implementadas com tecnologias diferentes (PAXSON et al., 1998).
Ao efetuar as medic¸˜oes nas redes IP utilizam-se m´etodos de coleta das amostras de pacotes. Um dos m´etodos mais simples ´e efetuar coletas peri´odicas, por´em pode acontecer de se observar somente comportamento peri´odico, e ao efetuar a medic¸˜ao, o tr´afego ´e introduzido na rede alterando o comportamento desta (PAXSON et al., 1998).
2.2.2.2 Medic¸˜ao Ativa X Passiva
O gerenciamento do tr´afego e as medic¸˜oes nas redes IP s˜ao extremamente necess´arios devido aos constantes problemas que estas redes enfrentam como problema de colis˜ao, elevado congestionamento, falta de priorizac¸˜ao de tr´afego, principalmente em redes IP com aplicac¸˜oes multim´ıdia, problemas de infra-estrutura, entre outros. Estes problemas podem ser detectados atrav´es de medic¸˜oes do tr´afego. Essas medic¸˜oes podem ser classificadas em medic¸˜oes passivas e ativas. A medic¸˜ao ativa envia pacotes na rede para efetuar medic¸˜oes, podendo afetar o tr´afego existente, como a ferramenta Ping, que mede o RTT (Round Trip Time4) de pacotes ICMP5 (Internet Control Message Protocol). Na medic¸˜ao passiva o tr´afego ´e medido sem ser perturbado. A medic¸˜ao passiva coleta dados de tr´afego de roteadores e switches ou de medidores de tr´afego ponto-a-ponto (BROWNLEE; MURRAY; NEMETH, 2002).
2.2.3 Obtendo Qualidade de Servic¸o
Obt´em-se garantias de QoS em redes de computadores de duas maneiras. A primeira ´e oferecendo muitos recursos, como taxa de transmiss˜ao e disponibilizac¸˜ao de servic¸os, atendendo assim a grandes picos de utilizac¸˜ao e solicitac¸˜ao, podendo comprometer em alguns casos a seguranc¸a, por n˜ao controlar acesso, prezando por alta disponibilidade dos servic¸os. Esse m´etodo ´e simples, por´em na pr´atica pode ser dispendioso, e pode ser ineficaz se o marco do pico de demanda aumentar al´em do previsto.
O segundo m´etodo ´e o de alocar os recursos da rede reservando-os para determinados
4Per´ıodo entre o instante de tempo que um pacote de requisic¸˜ao ´e enviado pelo n´o de origem e o instante de
tempo que ele recebe o pacote de resposta correspondente(MELO, 2009).
5E um protocolo camada rede que oferece controle de fluxo, mensagens de erro, roteamento e outros dados´
entre hosts. Este protocolo executa o processo de enviar uma mensagem de eco a um enderec¸o IP e ler a resposta para verificar uma conex˜ao entre os hosts TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) (BROWNLEE; MURRAY; NEMETH, 2002).
usu´arios e servic¸os, e apenas aceitar as demandas e tr´afego de dados se os equipamentos centrais de uma rede (backbone6) conseguirem atender ao solicitado. As reservas geralmente tˆem um custo associado. As duas variac¸˜oes mais conhecidas s˜ao servic¸os integrados (IntServ) e servic¸os diferenciados (DiffServ). Existem ainda outras t´ecnicas para oferecer QoS como, por exemplo, MPLS (Multiprotocol Label Switching), fatores de engenharia de tr´afego e roteamento QoS. 2.2.3.1 Servic¸os Integrados
Os servic¸os integrados proporcionam ao modelo de rede IP transmiss˜oes em tempo real e taxa de transmiss˜ao garantida, para um fluxo de dados definido. A estrutura de servic¸os integrados foi desenvolvida para possibilitar o QoS fim a fim, sendo poss´ıvel realizar qualidade de servic¸os completa entre origem e destino (BRADEN; CLARK; SHENKER, 1994).
Definido pelo IETF (Internet Engineering Task Force), a arquitetura IntServ prop˜oe a implantac¸˜ao de uma infra-estrutura completa para a Internet que suporte o tr´afego de dados, v´ıdeo e ´audio em tempo real, sem interferir, nem ser afetado, pela transmiss˜ao normal de demais dados da Internet. Nesta arquitetura prop˜oe-se que um conjunto de recursos de Qualidade de Servic¸o sejam disponibilizados para atender a demanda dos aplicativos. Para isso, tem que se garantir que todos os equipamentos da rede a suportam (MARTINS, 2000).
Em linhas gerais, o modelo de servic¸os integrados ´e caracterizado pela reserva de recursos. Antes de iniciar uma comunicac¸˜ao, o emissor solicita ao receptor a alocac¸˜ao de recursos necess´arios para definir-se uma boa qualidade na transmiss˜ao dos dados (SANTOS, 1999). Atrav´es do protocolo de sinalizac¸˜ao e controle, RSVP (Resource Reservation Protocol), a aplicac¸˜ao cliente identifica a sua necessidade de QoS e ent˜ao solicita `a rede determinada garantia de alocac¸˜ao de recurso. Os equipamentos e softwares vinculados aceitam a solicitac¸˜ao feita pelo cliente e procuram garantir a reserva do recurso solicitado. O RSVP permite ainda que v´arios transmissores enviem os dados para v´arios grupos de receptores, por´em este protocolo exige um alto processamento e mem´oria dispon´ıvel dos roteadores (MARTINS, 2000).
O RSVP ´e um protocolo eficiente do ponto de vista de qualidade de servic¸o, pois ele provˆe granularidade e controle fino das solicitac¸˜oes feitas pelas aplicac¸˜oes. Segundo Martins (2000), sua maior desvantagem ´e a complexidade inerente `a sua operac¸˜ao nos roteadores que, eventualmente pode causar dificuldades nos backbones de grandes redes.
Na figura 2 pode ser visualizado de forma simplificada como ´e feita a sinalizac¸˜ao para alocac¸˜ao de recurso. A m´aquina H1 envia uma solicitac¸˜ao de recurso para se comunicar com a m´aquina H2. Cada roteador responde para H1 se tem condic¸˜oes de efetuar a reserva. Assim que efetuada d´a-se in´ıcio a comunicac¸˜ao.
6No contexto de redes de computadores, o backbone (em portuguˆes, espinha dorsal) designa o esquema de
Figura 2: Sinalizac¸˜ao de solicitac¸˜ao de recurso atrav´es do RSVP (CARLSON, 2003) adaptado de Kurose e Ross (2005)
O modelo de IntServ proposto pelo IETF define dois tipos de servic¸os integrados: Servic¸o Garantido e Servic¸o de carga controlada (BRADEN; CLARK; SHENKER, 1994).
O Servic¸o Garantido ´e especificado no RFC (Request for Comments) 2212 (SHENKER; PARTRIDGE; GUERIN, 1997) e fornece um s´olido limite no atraso de enfileiramento, permitindo garantir tanto atraso como taxa de transmiss˜ao em n´ıveis aceit´aveis. Este servic¸o garante que os pacotes n˜ao ser˜ao descartados caso haja congestionamento em uma fila do roteador e que estes conseguir˜ao chegar ao seu destino em um determinado tempo ap´os o seu envio.
O Servic¸o de Carga Controlada ´e especificado no RFC 2211 (WROCLAWSKI, 2003) e fornece um fluxo de dados com qualidade de servic¸o muito pr´oxima a que este mesmo fluxo receberia de um elemento de rede n˜ao sobrecarregado. Assumindo um funcionamento perfeito da rede, ou seja, sem fila, sem variac¸˜ao do atraso, sem perda, uma percentagem alta dos pacotes transmitidos atrav´es da rede alcanc¸ar´a o seu destino com sucesso e o atraso adicionado aos pacotes n˜ao ir´a exceder o atraso m´ınimo sofrido por qualquer outro pacote transmitido com sucesso (WROCLAWSKI, 2003). Uma estimativa da quantidade de tr´afego que ser´a necess´aria deve ser feita pelo cliente que solicitar este servic¸o. Caso o cliente passe a gerar tr´afego fora do limite definido, sinais de sobrecarga surgir˜ao, como atraso e descarte de pacotes. Wroclawski (2003) acrescenta que este servic¸o suporta aplicac¸˜oes que est˜ao sendo desenvolvidas hoje em dia na internet, como aplicac¸˜oes adaptativas de tempo real.
2.2.3.2 Servic¸os Diferenciados
Outra iniciativa do IETF ´e a t´ecnica DiffServ com o objetivo de permitir tamb´em o transporte de ´audio, v´ıdeo e dados em tempo real e outros fluxos comuns da internet. Nesta
t´ecnica, os pacotes s˜ao classificados de acordo com o tipo de dado e aplicativo, e depois de marcados s˜ao processados de acordo com a classificac¸˜ao estabelecida, procurando assim reduzir ao m´aximo o n´ıvel de processamento nos roteadores. Essa t´ecnica tamb´em ´e chamada de “qualidade de servic¸o baseada na classe” (TANENBAUM, 2003). Desta forma, a arquitetura de servic¸os diferenciados oferece classes de servic¸os agregados, agrupando os fluxos e tratando-os de acordo com a classe de servic¸o que se encontram (ABEL ´EM; STANTON; RODRIGUEZ, 2001). Nos servic¸os diferenciados, diferentes servic¸os podem ser reservados para grupos diferentes de usu´arios, o que, na pr´atica, significa que o tr´afego ser´a dividido em grupos baseado nos parˆametros definidos de qualidade de servic¸o.
Em outras palavras, segundo Martins (2000) a qualidade de servic¸o na soluc¸˜ao DiffServ ´e garantida atrav´es de mecanismos de priorizac¸˜ao de pacotes. A soluc¸˜ao DiffServ n˜ao utiliza alocac¸˜ao ou reserva de recursos, n˜ao necessitando de uma sinalizac¸˜ao antes de enviar os dados em decorrˆencia de sua prioridade ser transmitida no cabec¸alho IP.
Alecrim (2009) explica que:
[...] “O modelo de servic¸os diferenciados usa a classificac¸˜ao de pacotes como mecanismos para o provimento de QoS. Por esta raz˜ao, ´e redefinido o laiaute do octeto ToS (Type of Service) do cabec¸alho do protocolo IPv4 (ou no campo Traffic Classdo IPv6), que passa a ser chamado de campo DS (Differentiated Service). At´e o momento, somente os seis primeiros bits do campo DS s˜ao usados, recebendo a denominac¸˜ao de campo DSCP (Differentiated Services Codepoint). Seu objetivo ´e especificar o tratamento dado ao encaminhamento de pacotes em cada roteador, o chamado PHB (Per-hop Behavior). Os PHBs s˜ao mecanismos de priorizac¸˜ao que permitem a agregac¸˜ao de fluxos gerados por diferentes aplicac¸˜oes, definindo uma classe de servic¸o.”. (ALECRIM, 2009, p.109).
A grosso modo o modelo de servic¸os diferenciados implementa QoS com base na definic¸˜ao de tipos de servic¸os. No entanto, servic¸os diferenciados ampliam a representac¸˜ao de servic¸os e o tratamento que pode ser dado para encaminhar um pacote. Desta forma, ´e no campo DS que s˜ao codificadas as classes para servic¸os diferenciados (SANTOS, 1999). Utilizando servic¸os diferenciados, como as pr´oprias aplicac¸˜oes clientes podem marcar seus DS Fields e enviar para o receptor, n˜ao h´a como saber se h´a recursos dispon´ıveis para a comunicac¸˜ao.
A figura 3 mostra em linhas gerais o funcionamento do DiffServ. Os n´os DS (DiffServ) de borda conectam n´os DS de borda de outros dom´ınios DS ou dom´ınios n˜ao DS, e n´os DS de interior conectam outros n´os DS de interior ou n´os DS de borda. O tr´afego que entra em um dom´ınio DS ´e classificado e condicionado por um n´o DS de borda e o os n´os DS de interior selecionam o comportamento do tr´afego dentro do dom´ınio DS (CARLSON, 2003).
Figura 3: Exemplo DiffServ (CARLSON, 2003) adaptado de Kurose e Ross (2005)
2.2.3.3 MPLS
O protocolo MPLS ´e definido pelo IETF e consiste em uma tecnologia de chaveamento de pacotes que proporciona o encaminhamento e a comutac¸˜ao eficientes de fluxos de tr´afego atrav´es da rede, apresentando-se como uma soluc¸˜ao para diminuir o processamento nos equipamentos de rede e interligar com maior eficiˆencia redes de tecnologias distintas (PINHEIRO, 2006).
O MPLS ´e uma tecnologia que proporciona aumento no desempenho do encaminhamento de pacotes atrav´es da implementac¸˜ao da qualidade de servic¸o e engenharia de tr´afego. Outro servic¸o importante proporcionado pelo MPLS, mas visando seguranc¸a da informac¸˜ao, ´e a criac¸˜ao de VPN’s (Virtual Private Network).
O MPLS apresenta uma proposta de funcionamento para transmiss˜ao de pacotes que associa a capacidade de roteamento IP, que engloba a facilidade de enderec¸amento dos dados, `a eficiˆencia da transferˆencia de dados por comutac¸˜ao. A necessidade de controlar os padr˜oes de tr´afego pela rede passou a ser fundamental para as operadoras de telecomunicac¸˜oes e o MPLS provˆe direcionamento do tr´afego por uma rota reservando os recursos necess´arios e combinando previamente com todos envolvidos para a transmiss˜ao dos dados.
O conhecimento de alguns conceitos ´e fundamental para entender o funcionamento do MPLS, s˜ao eles: roteamento, comutac¸˜ao, tabela de encaminhamento, classe de equivalˆencia de encaminhamento FEC (Forward Equivalence Class) e o r´otulo (label).
Roteamento ´e o encaminhamento de pacotes feito por roteadores onde estes executam protocolos de roteamento. Em uma rede LAN ou WAN, os roteadores que tˆem como objetivo,
descobrir o melhor caminho para encaminhamento e o pr´oximo roteador que receber´a este pacote, tamb´em conhecido como pr´oximo salto. Comutac¸˜ao ´e a transferˆencia de dados de uma porta de entrada para uma porta de sa´ıda em um switch (ENNE, 2009).
A tabela de encaminhamento ´e um conjunto de registros com informac¸˜oes relativas ao pr´oximo destino do pacote, comumente denominado, de pr´oximo salto. A classe de equivalˆencia de encaminhamento FEC ´e um grupo de pacotes que pode ser tratado de forma semelhante para fins de encaminhamento (ENNE, 2009).
Por ´ultimo o conceito mais importante, label, que ´e a informac¸˜ao adicionada ao pacote quando o mesmo entra numa rede MPLS. Desta forma, MPLS ´e uma tecnologia de encaminhamento de pacotes baseada em labels, que funciona, basicamente, com a adic¸˜ao de um r´otulo nos pacotes de tr´afego `a entrada do backbone, chamados de roteadores de borda e, a partir da´ı, todo o encaminhamento passa a ser feito com base neste r´otulo.
Figura 4: Exemplo de rede utilizando MPLS (INOVE, 2010)
Na figura 4 ´e mostrada a estrutura b´asica de uma rede MPLS. Quando ingressa na nuvem MPLS o pacote IP recebe um label e passa por comutadores dentro da rede da operadora, sendo que este label ´e retirado na sa´ıda da nuvem.
Existem trˆes tipos de operac¸˜oes realizadas com os labels: inserc¸˜ao, retirada e troca de labels. Um pacote IP que entra em uma rede MPLS ´e um pacote sem label, e ap´os a inserc¸˜ao de um ou mais labels, ele passa a ser um pacote MPLS. Os LSR (label switching router) s˜ao os n´os da rede MPLS e, segundo Enne (2009), podem ser de trˆes tipos:
• Frame: que s˜ao estabelecidos sobre a tecnologia Ethernet7 na LAN e operando com roteadores usando a tecnologia de enlace PPP (Point-to-Point Protocol);
7E um protocolo de Acesso `a Rede TCP/IP eficaz e amplamente utilizado. Sua estrutura comum de quadro foi´ implementada por uma rede de tecnologias de meio f´ısico, cobre e fibra, tornando-o o protocolo LAN mais comum em uso atualmente (CISCO, 2002).
• ATM: s˜ao constitu´ıdos sobre a tecnologia de enlace ATM (Asynchronous Transfer Mode); • FR: que s˜ao executados sobre a tecnologia Frame Relay.
Ap´os o estabelecimento de labels um LSR pode comutar o tr´afego rapidamente entre os roteadores da rede. Nos roteadores de borda de uma rede MPLS, os LSR’s fazem a classificac¸˜ao e decis˜oes de encaminhamento atrav´es da leitura do cabec¸alho IP, que s˜ao rotulados e ent˜ao encaminhados a um LSR que serve como o pr´oximo n´o em direc¸˜ao ao destino final, ver figura 4.
Quando um LSR da rede WAN recebe um pacote com r´otulo, este ´e extra´ıdo e usado como ´ındice para encontrar na tabela de roteamento o caminho para ent˜ao ser enviado `a interface de sa´ıda, trafegando assim por uma das rotas. O encaminhamento ocorre ao n´ıvel da camada 2 do modelo OSI (Open Systems Interconnection), executado pelo switch e a comutac¸˜ao ocorre na camada 3 do modelo OSI, func¸˜ao executada pelos roteadores, ver figura 9.
O MPLS funciona com o Protocolo de Distribuic¸˜ao de R´otulos, que funciona semelhante a uma chamada telefˆonica, onde os r´otulos s˜ao associados, permanecendo associados at´e o final da transmiss˜ao. O protocolo RSVP-TE (Resource Reservation Setup Protocol with Traffic Engineering) cria uma esp´ecie de t´unel de transmiss˜ao espec´ıfico para a aplicac¸˜ao reservando recursos (KAMIENSKI; SADOK, 2000).
Uma rede MPLS serve ao mesmo prop´osito de qualquer rede de roteamento convencional: entregar tr´afego a um ou mais destinos. O encaminhamento por r´otulo n˜ao substitui o roteamento tradicional.
2.2.3.4 Engenharia de Tr´afego
Devido `a caracter´ıstica dos diferentes tipos de dados e servic¸os que utilizam a Internet a engenharia de tr´afego surge como possibilidade de monitorar o tr´afego e controlar a carga de dados gerada ao longo da transmiss˜ao, permitindo assim alocac¸˜ao de recursos fim-a-fim com o objetivo de garantir a chegada dos dados ao destinat´ario.
O aumento da capacidade na transmiss˜ao de dados dos enlaces WAN ´e a ac¸˜ao mais adotada por parte de administradores e projetistas de redes de computadores como soluc¸˜ao para o congestionamento enfrentado nas redes atuais. Dessa forma, aplicar-se t´ecnicas de engenharia de tr´afego possibilita otimizac¸˜ao e melhor aproveitamento no enlace antes de executar o aumento da capacidade de transmiss˜ao.
A engenharia de tr´afego ´e a manipulac¸˜ao do tr´afego da rede para que ele se ajuste a esta, garantindo assim que os dados sejam entregues ao destinat´ario. Com o crescimento no uso da Internet e o conseq¨uente surgimento de novos servic¸os e aplicativos neste ambiente de rede de computadores, reorganizar os variados tipos de tr´afego que surgem para que todos
tenham recursos dispon´ıveis para transmiss˜ao das suas informac¸˜oes, ´e tarefa primordial para a continuidade do funcionamento da Internet e justifica a utilizac¸˜ao da engenharia de tr´afego, atrav´es de t´ecnicas implantadas nos switches e roteadores WAN (METZ, 1999).
Com o MPLS ´e poss´ıvel utilizar tratamento diferenciado para tr´afegos com diferentes n´ıveis de servic¸os. O RSVP-TE permite ao MPLS monitorar o tr´afego e controlar a carga da transmiss˜ao pelo enlace selecionado. No RSVP-TE, o protocolo RSVP solicita a banda e condic¸˜oes de tr´afego necess´arias em um caminho definido e havendo condic¸˜oes de transmiss˜ao dos dados o servic¸o de engenharia de tr´afego ´e adicionado com a funcionalidade de garantir o controle desta (OSBORNE; SIMHA, 2002).
Segundo Kamienski e Sadok (2000), o MPLS ´e um elemento de suporte a engenharia de tr´afego em redes IP, pois implementa o roteamento expl´ıcito, onde os pacotes de dados s˜ao transmitidos em caminhos virtuais, os LSP (Label Switched Paths). O protocolo RSVP-TE ´e soluc¸˜ao para roteamento utilizando qualidade de servic¸o, onde a selec¸˜ao dos caminhos a serem configurados nos LSPs pode estar atrelada a quesitos de QoS, previamente parametrizados, como: atraso e variac¸˜ao de atraso m´aximos, taxa de perda m´axima de pacotes e taxa de transmiss˜ao m´ınima.
Segundo Osborne e Simha (2002), o objetivo central da engenharia de trafego na Internet ´e facilitar a operac¸˜ao eficiente e confi´avel da rede enquanto que ao mesmo tempo aperfeic¸oa a sua utilizac¸˜ao e desempenho. O resultado da implementac¸˜ao de t´ecnicas de engenharia de tr´afego ´e o estabelecimento de um balanceamento de carga, ajudando a reduzir os congestionamentos nos enlaces WAN e auxiliando para aperfeic¸oar a utilizac¸˜ao dos seus recursos, permitindo uma melhoria na qualidade do servic¸o oferecido.
Atualmente, a engenharia de trafego e quase que indispens´avel em grandes redes por causa do alto custo dos equipamentos e da natureza comercial e competitiva da Internet (OSBORNE; SIMHA, 2002).
2.2.3.5 Roteamento QoS
Devido `a importˆancia de roteamento baseado em QoS, o IETF criou um grupo de trabalho para orientar a investigac¸˜ao sobre a QoS baseada em t´ecnicas de roteamento. Ent˜ao definiu um framework de roteamento baseado em QoS na Internet, que ´e exposto no RFC 2386 (CRAWLEY et al., 1998).
Segundo Crawley et al. (1998) no RFC 2386, roteamento QoS, tamb´em chamado de roteamento com QoS ou roteamento baseado em QoS, do inglˆes QoS Routing (QoSR), ´e o processo de selecionar as rotas utilizadas pelos pacotes baseando-se nos seus requisitos de QoS, como por exemplo taxa de transmiss˜ao e jitter. O roteamento QoS permite que a rede
determine um caminho que oferec¸a mais suporte de QoS `as necessidades de um ou mais fluxos na rede. O caminho escolhido pode n˜ao ser o ”caminho mais curto tradicional”que normalmente ´e calculado com base nas atuais m´etricas e pol´ıticas.
Figura 5: Exemplo de Roteamento baseado em QoS. Adaptado de Jain (1999)
Em outras palavras, este tipo de roteamento nada mais ´e que um mecanismo em que os caminhos para os fluxos s˜ao determinados com base em algum conhecimento da disponibilidade de recursos da rede, bem como a exigˆencia de QoS dos fluxos. Roteamento baseado em QoS tem sido reconhecido como uma pec¸a que faltava na evoluc¸˜ao da oferta de qualidade de servic¸os na Internet (CRAWLEY et al., 1998).
Na figura 5 ´e mostrado um exemplo de roteamento baseado em QoS. Supondo que exista um fluxo de dados entre os pontos A e C que exija taxa de transmiss˜ao de no m´ınimo 4Mbps. Embora o caminho ABC seja o caminho mais curto ele s´o tem capacidade de 2Mbps o que n˜ao ´e suficiente. Sendo assim, o roteamento QoS ir´a selecionar o caminho ADEC que, mesmo sendo o caminho maior oferece taxa de transmiss˜ao necess´aria para o fluxo em quest˜ao.
2.2.3.6 Algoritmos de Escalonamento e Buferizac¸˜ao
Algoritmos de escalonamento s˜ao mecanismos respons´aveis por decidir qual pacote ou fluxo utilizar´a o recurso em quest˜ao. Sendo assim estes tipos de algoritmos s˜ao implementados nos equipamentos de redes para prover QoS. A classificac¸˜ao destes algoritmos
de escalonamento pode ser efetuada de acordo com os princ´ıpios que definem a ordem de envio dos pacotes: por ordem de chegada, de uma forma estrita, de uma forma rotativa, por ponderac¸˜ao, e em tempos pr´e-definidos.
O Escalonamento por ordem de chegada serve o recurso para os pacotes ou fluxos que chegam primeiro `a fila. O exemplo cl´assico para este tipo de escalonamento ´e o FIFO (First-In First-Out). Este algoritmo ´e muito simples de implementar mas n˜ao permite diferenciac¸˜ao de QoS, assim como n˜ao garante a existˆencia de limites m´aximos nos atrasos. Os fluxos de tr´afego que recebem um servic¸o melhor s˜ao os que geram mais tr´afego.
O Escalonamento de forma estrita ´e constitu´ıdo por v´arias filas de espera, cada uma com uma prioridade diferente. Os fluxos s˜ao classificados em diferentes n´ıveis de prioridade e associados a uma determinada fila de espera de acordo com a sua prioridade. Este algoritmo ´e simples de implementar e permite diferenciac¸˜ao de QoS. O exemplo que melhor define este tipo de escalonamento ´e o Priority Queueing (PQ).
O escalonamento de uma forma rotativa ´e constitu´ıdo por v´arias filas de espera com a mesma prioridade e os fluxos s˜ao associados a uma determinada fila de espera de acordo com a sua classificac¸˜ao. Estes algoritmos selecionam o tr´afego de uma forma rotativa. No algoritmo mais simples, Round Robin (RR), o sistema seleciona um pacote de cada fila de espera de uma forma rotativa. Este tipo de escalonamento tamb´em pode ser usado para prover QoS, mas gera problemas quando tem-se fluxos de dados com pacotes de tamanhos diferentes, pois a forma rotativa implementada na sua forma b´asica n˜ao prevˆe tr´afego de tamanhos diferentes. Para resolver parcialmente este problema foram criadas algumas variac¸˜oes do algoritmo Round Robinque trata o problema do tamanho dos pacotes, com por exemplo, Weighted Round Robin (WRR) e o Deficit Round Robin (DRR).
O escalonamento por ponderac¸˜ao pressup˜oe tamb´em a existˆencia de escalonadores com v´arias filas de espera, e distribui a taxa de transmiss˜ao pelas diversas filas de espera de uma forma pesada ou de uma forma equitativa, Fair Queueing (FQ), mas sem a noc¸˜ao de rotatividade. Estes algoritmos tentam emular, num sistema de pacotes, o sistema de fluidos denominado de Generalized Processor Sharing (GPS). O algoritmo mais comumente usado para implementar este tipo de escalonamento ´e o Weighted Fair Queueing (WFQ).
Por ´ultimo no escalonamento em tempos pr´e-definidos cada pacote ´e associado um tempo eleg´ıvel e um tempo limite. Os pacotes s´o podem ser servidos depois de o instante de tempo atual exceder o tempo eleg´ıvel do pacote. Deste modo, garante-se que todos os pacotes de um mesmo fluxo tˆem aproximadamente o mesmo atraso. O escalonador ordena os pacotes eleg´ıveis para transmitir com base nos seus tempos limite. Os algoritmos de escalonamento que implementam este tipo de escalonamento s˜ao o Jitter-Virtual Clock (JVC) e
o Core-Jitter-Virtual Clock (CJVC).
Al´em de algoritmos de escalonamento para prover QoS, existem ocasi˜oes em que qualidade de servic¸o pode ser obtida utilizando buferizac¸˜ao. Buferizac¸˜ao nada mais ´e que o uso de sistemas de mem´oria nos equipamentos de redes, como roteadores e comutadores, para serem usados como mem´oria de buffer a fim de resultar na diminuic¸˜ao dos atrasos, pois os pacotes s˜ao armazenados nos equipamentos para serem transmitidos ao destino em sequˆencia. 2.2.3.7 Resumo dos m´etodos de obtenc¸˜ao de QoS
´
E importante explicitar que nem todas aplicac¸˜oes necessitam de m´etodos para garantir Qualidade de Servic¸o para terem sucesso no que pretendem transmitir. Geralmente, as aplicac¸˜oes que envolvem multim´ıdia, tˆem essa necessidade, como VoIP e videoconferˆencia.
Para determinados servic¸os, como o transporte de voz, deve-se garantir a utilizac¸˜ao de protocolos como Protocolo de Reserva de Recursos (RSVP), DiffServ e o MPLS, al´em dos mecanismos de priorizac¸˜ao de tr´afego.
Conforme esclarecido por Soares e Freire (2002), as opc¸˜oes de protocolos de qualidade de servic¸o citadas acima ajudam aplicac¸˜oes cr´ıticas a possuir garantia de entrega de seus servic¸os. Embora certos padr˜oes de QoS estejam ainda em desenvolvimento e, ainda, n˜ao largamente implantados, a crescente necessidade de QoS em redes IP ir´a muito em breve direcionar estes itens para a lista de demanda de qualquer administrador de rede.
Tabela 3: Resumo dos m´etodos de obtenc¸˜ao de QoS
Nome Resumo
IntServ E caracterizado pela reserva de recursos.´ Antes de iniciar uma comunicac¸˜ao, o emissor solicita ao receptor a alocac¸˜ao de recursos necess´arias para definir-se uma boa qualidade na transmiss˜ao dos dados
DiffServ N˜ao utiliza alocac¸˜ao/reserva de recursos. E´ caracterizado por utilizar priorizac¸˜ao de pacotes e agrupamento de fluxo em classes.
MPLS Tecnologias de chaveamento de pacotes que proporciona o encaminhamento e a comutac¸˜ao. Funciona com o Protocolo de Distribuic¸˜ao de R´otulos, que funciona semelhante a uma chamada telefˆonica, onde os r´otulos s˜ao associados, permanecendo associados at´e o final da transmiss˜ao
Engenharia de Tr´afego E a manipulac¸˜ao do tr´afego da rede para que ele se´ ajuste a esta, garantindo assim que os dados sejam entregues ao destinat´ario.
Roteamento QoS E o processo de selecionar as rotas utilizadas pelos´ pacotes baseando-se nos seus requisitos de QoS Escalonamento Utilizado para escolha e definic¸˜ao de prioridades
Buferizac¸˜ao Armazenamento de pacotes para reduc¸˜ao de atrasos
Com a chegada da vers˜ao 6.0 do protocolo IP, o IETF pretende incluir, dentre outras funcionalidades, provis˜ao de QoS, permitindo assim que a aplicac¸˜ao solicite diferentes n´ıveis de servic¸os estando esta em ambiente operacional LAN ou WAN.
Em resumo, pode-se dizer que IntServ funciona bem em redes pequenas, mas em grandes redes como a Internet ´e dif´ıcil controlar as reservas. Portanto, ele ´e frequentemente recomendado apenas para uso em redes de borda. J´a o DiffServ n˜ao ´e uma soluc¸˜ao fim-a-fim e destina-se apenas ao trabalho no interior do n´ucleo da rede. O que se vˆe muito ´e os dois m´etodos aplicados em conjunto, ou seja, DiffServ no n´ucleo da rede e IntServ nas bordas, como pode ser visto na figura 6.
Aplicac¸˜oes de transmiss˜ao de voz, como VoIP e videoconferˆencia devem ser utilizadas com o m´etodo IntServ, pois o mesmo possui o conceito de chamada e controle de admiss˜ao, ao contr´ario do m´etodo DiffServ. No caso de soluc¸˜oes utilizando os dois m´etodos de garantia de QoS, RSVP deve ser usado para sinalizar a necessidade de recursos na nuvem Diffserv e permitir ou n˜ao a admiss˜ao da chamada.
J´a o MPLS pode ser muito bem utilizado para interligac¸˜oes de ramais e tamb´em com VoIP. O MPLS tamb´em ´e muito bom para aplicac¸˜oes de videoconferˆencia e transmiss˜oes de v´ıdeo em geral, bem como transmiss˜oes de dados e dados expressos, como por exemplo, com´ercio eletrˆonico e sistemas banc´arios onde existe transporte de dados cr´ıticos, que com o MPLS recebe um tratamento diferenciado, garantindo as menores taxas de erro e evitando
Figura 6: Soluc¸˜ao utilizando IntServ e DiffServ. Adaptado de DBCnet (2010)
atrasos no envio e recebimento de informac¸˜oes. Al´em disso pode-se ter bons resultados de aplicac¸˜oes como ferramentas colaborativas, streaming de v´ıdeo e e-learning utilizando a tecnologia MPLS.
2.2.4 Protocolos Espec´ıficos para Transmiss˜ao Multim´ıdia
Ultimamente as aplicac¸˜oes de transmiss˜ao de ´audio e v´ıdeo de fluxo cont´ınuo tornaram-se populares e consumidoras reais de taxa de transmiss˜ao. Essa tendˆencia continuar´a por v´arias raz˜oes. Como exemplo, o barateamento dos custos de armazenamento, as melhoras significativas na infra-estrutura da Internet e a enorme demanda por fluxo de v´ıdeo combinando duas tecnologias sedutoras, a Televis˜ao e a WEB (World Wide Web) (KUROSE; ROSS, 2005). Ent˜ao, para prover qualidade de servic¸o para aplicac¸˜oes multim´ıdia ´e necess´ario utilizar protocolos espec´ıficos para este tipo de aplicac¸˜ao. Estes protocolos ser˜ao descritos por se tratar de um dos objetos de simulac¸˜ao deste trabalho de conclus˜ao de curso e, serem muito ´uteis na obtenc¸˜ao de resultados.
Ent˜ao para atender a grande demanda de aplicac¸˜oes multim´ıdias que circula pela rede, existem protocolos espec´ıficos que garantem a qualidade na transmiss˜ao bem como recursos que podem ser explorados pelos usu´arios. Como exemplo, os protocolos RTP (Real time Protocol), RTCP (Real Time Transport Control Protocol), RTSP (Real Time Streaming Protocol), H.323 e SIP (Session Initiation Protocol) ser˜ao brevemente detalhados nas sec¸˜oes a seguir.
2.2.4.1 RTP
O RTP, definido no RFC 1889 (SCHULZRINNE et al., 1996), ´e um protocolo de redes utilizado em aplicac¸˜oes de tempo real como, por exemplo, entrega de dados ´audio ponto-a-ponto, como VoIP. Este protocolo define como deve ser feita a fragmentac¸˜ao do fluxo de dados ´audio e/ou v´ıdeo, adicionando a cada fragmento informac¸˜ao de sequˆencia e de tempo de entrega. O controle ´e realizado pelo RTCP. Ambos utilizam o UDP8 como protocolo de transporte, o qual n˜ao oferece qualquer garantia que os pacotes ser˜ao entregues num determinado intervalo.
2.2.4.2 RTCP
O RFC 1889 tamb´em especifica o RTCP, que ´e um protocolo que uma aplicac¸˜ao de rede multim´ıdia pode usar juntamente com o RTP para realizar o controle da transmiss˜ao. Como mostrado por Kurose e Ross (2005) na figura 7, pacotes RTCP s˜ao transmitidos por cada participante de uma sess˜ao RTP para todos os outros participantes da sess˜ao usando multicast9. Para uma sess˜ao RTP h´a um enderec¸o multicast e todos os pacotes RTP e RTCP s˜ao transmitidos para este enderec¸o e s˜ao distinguidos pelo n´umero de porta distintos. Geralmente, o n´umero da porta RTCP ´e igual ao n´umero da porta RTP mais uma unidade (KUROSE; ROSS, 2005).
Figura 7: Envio de mensagens RTCP (KUROSE; ROSS, 2005)
8O protocolo UDP (User Datagram Protocol) ´e um protocolo n˜ao orientado para a conex˜ao da camada
transporte do modelo TCP/IP. (KIOSKEA, 2009)
9E a entrega de informac¸˜ao para m´ultiplos destinat´arios simultaneamente usando a estrat´egia mais eficiente´ onde as mensagens s´o passam por um link uma ´unica vez e somente s˜ao duplicadas quando o link para os destinat´arios se divide em duas direc¸˜oes (WHATIS.COM´S, 2002)
2.2.4.3 RTSP
O RTSP, definido na RFC 2326, permite que um transdutor controle a transmiss˜ao de uma corrente de m´ıdia. Este protocolo ´e muito utilizado em paralelo ao RTP contribuindo para que a distribuic¸˜ao dos dados ocorra de uma maneira escal´avel ao ponto de permitir grandes transmiss˜oes com v´arios destinos e tamb´em provendo um certo controle e identificac¸˜ao dos participantes da comunicac¸˜ao.
As ac¸˜oes de controle do RTSP incluem pausa/rein´ıcio, reposicionamento da reproduc¸˜ao, avanc¸o e retrocesso r´apidos. O RTSP ´e um protocolo “fora da banda”, ao ponto que a corrente de m´ıdia, cuja estrutura de pacotes n˜ao ´e definida pelo RTSP, ´e considerada “dentro da banda” (KUROSE; ROSS, 2005). Uma conex˜ao fora de banda fica dispon´ıvel mesmo que o servidor n˜ao tenha sido carregado ou n˜ao esteja funcionando adequadamente. J´a uma conex˜ao dentro da banda depende da conex˜ao para funcionar. Ent˜ao, como se estivesse utilizando um aparelho de DVD ou CD, o usu´ario pode parar, voltar, avanc¸ar, reposicionar e reiniciar o fluxo de m´ıdia como se n˜ao estivesse conectado.
2.2.4.4 H.323
Como uma alternativa ao SIP, o H.323 ´e um padr˜ao popular para audioconferˆencia e videoconferˆencia entre sistemas finais na Internet. Como ilustrado por Kurose e Ross (2005) na figura 8, o padr˜ao tamb´em abrange a maneira como sistemas finais ligados a Internet se comunicam com telefones ligados `as redes normais de telefonia de comutac¸˜ao de circuitos.
