de Telecomunicações para Aplicações Multimídia Distribuídas Infra-estrutura Infra-estrutura de Telecomunicações Serviço Multicast

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1

Fundamentos de Sistemas Multimídia Fundamentos de Sistemas Multimídia

Infra-estrutura de Telecomunicações

para Aplicações Multimídia

Distribuídas

Profa. Débora Christina Muchaluat Saade

deborams@telecom.uff.br

Infra

Infra-

-

estrutura

de

Telecomunicações

para Aplicações Multimídia

Distribuídas

Profa. Débora Christina Muchaluat Saade

deborams@telecom.uff.br

Departamento de Engenharia de Telecomunicações Departamento de Engenharia de Telecomunicações --UFFUFF

2

Infra

-

estrutura de Telecomunicações

Comunicação Multicast

Provisão de Qualidade de Serviço – QoS

Garantia de QoS

•

Mecanismos de escalonamento e policiamento

QoS em Redes IP

•

Serviços Integrados e Diferenciados

3

Comunicação Multicast

Comunicação de grupo

• corresponde à troca de dados de diferentes mídias entre múltiplas entidades.

• unidades de dados idênticas de um ou mais transmissores devem ser transmitidas para um grupo de receptores.

Casos particulares

• Unicastpode ser definido como um caso particular de

multicast, onde existe apenas um transmissor e um receptor, caracterizando assim uma comunicação ponto-a-ponto. • Transmissão por difusão (broadcast) é um outro caso

particular, quando temos uma transmissão para todos os participantes do sistema

4

Serviço Multicast

(2)

5

Comunicação Multicast

A arquitetura genérica de um serviço de multicast pode ser dividida em duas partes:

• gerenciamento de grupo

– gerenciamento de grupo diz respeito a todas as ações relacionadas a composição do grupo

• manipulação de informações sobre os seus participantes e o

controle sobre a entrada e saída de participantes ao grupo.

• construção de uma infra-estrutura de distribuição.

– relacionada à forma de coordenação de recursos de forma a tentar minimizar as replicações desnecessárias de mensagens.

• Protocolos de roteamento são responsáveis por grande parte

desse trabalho

6

Gerenciamento de grupo

Um grupo é definido como um subconjunto de

usuários para o qual é possível a transmissão de

mensagens

•

várias entidades são representadas por nome e

endereço únicos

–Endereço multicast

A existência de um grupo é independente de

haver troca de informação

Gerenciamento de Grupos

Distribuído:

• Informações e controle dos grupos estão distribuídos pelo sistemas de comunicação

– Ex.: IGMP – IP Multicast

Centralizado:

• Existe a figura de um gerenciador de grupo centralizado, que controla todas as atividades de gerenciamento do grupo

– Ex.: MARS – IPOA

Primitivas:

• Criação - Create • Destruição - Destroy • Adesão - Join

Transmissão Multicast

Resolução de Endereços

Construção da infra-estrutura de distribuição e

roteamento

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10

Transmissão Multicast

Resolução de Endereços

• Realiza o mapeamento entre um endereço de nível N para um ou mais endereços de nível N-1

– Mapeamento direto

– Protocolo de resolução

11

Exemplo de Resolução de Endereços

Mapeamento Direto

•

Ex.: tradução de endereço IP multicast (Classe D)

para endereço MAC (Ethernet)

Endereço MAC multicast

Começa com 01:00:5E

Últimos 23 bits do endereço IP são mapeados no endereço MAC

12

Mapeamento IP multicast => MAC

32 endereços IP multicast diferentes mapeiam

para o mesmo endereço MAC multicast

13

Transmissão Multicast

Construção da infra-estrutura de distribuição e roteamento

• Definição de um caminho através de entidades intermediárias, formando árvore de distribuição.

• árvore de multicast(ou canal de comunicação multicast) é definida por uma comunicação 1 x n entre uma entidade origem e n destinos.

Um protocolo de roteamento multicast é responsável pela construção de árvores de distribuição multicast e por habilitar a transmissão de dados multicast

(4)

14

MBONE

Multicast Backbone - Backbone Multicast da

Internet

conjunto interconectado de subredes e roteadores

que suportam a entrega de tráfego IP Multicast.

O objetivo do MBone é construir um testbed de

IP multicast para habilitar o desenvolvimento de

aplicações multicast sem esperar pelo

desenvolvimento de roteadores com capacidade

de multicast na Internet.

15

Multicast backBONE (MBONE)

MBONE é formado por roteadores multicast configurados para enviar multicast IP sobre IP Topologicamente, MBONE é uma inter-rede virtual composta de ilhas com capacidade interna de roteamento multicast conectadas a outras ilhas por meio de enlaces ponto-a-ponto virtuais chamados túneis

Túneis são definidos individualmente para cada grupo (ou conjunto de grupos), e de maneira estática

HEADER IP Dados IP

Dados IP Multicast Header IP

Multicast

MBONE

Os túneis permitem tráfego multicast através de algumas partes da Internet sem capacidade de multicast.

Pacotes de IP Multicast “entunelados” são encapsulados como IP-sobre-IP de modo que eles parecem pacotes IP unicast normais para os roteadores.

O encapsulamento é adicionado na entrada de um túnel, e retirado na saída.

A maioria dos roteadores MBone atualmente usam o protocolo de roteamento multicast DVMRP (Distance

Vector Multicast Routing Protocol), embora algumas

porções do MBone executem OSPF Multicast (MOSPF) ou Multicast Independente de Protocolo (PIM).

Multicast backBONE (MBONE)

G G G G G G

Inter

-

rede

IP D IP D IP E IP E IP B IP B IP A IP A H H H H H H H H H H H H H H H H

(5)

18

Multicast backBONE (MBONE)

Inter

-

rede

Ilha Ilha22 H H H H H H H H H H H H Ilha Ilha 11 túnel 19

M

B

O

N

E

BR

20

Aplicações MBONE

Visual Audio Tool (vat)

Network Video (nv)

Network Voice Terminal (nevot)

INRIA Videoconferencing System (ivs) para

programas de áudio e vídeo

InPerson da Silicon Graphics

ShowMe da Sun Microsystems

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Qualidade de Serviço

QoS pode ser definida como o conjunto das

características (qualitativas e quantitativas) de processamento e comunicação suportadas por um serviço, que permite a provisão da funcionalidade desejada por usuários do ambiente.

• Essa funcionalidade pode ser entendida como a capacidade de processamento e comunicação para os dados de uma determinada mídia, por exemplo.

Qualidade de Serviço (QoS) é um requisito da(s) aplicação(ões) para a qual exige-se que determinados parâmetros (retardos, vazão, perdas, ...) estejam dentro de limites bem definidos (valor mínimo, valor máximo).

(6)

22

Qualidade de Serviço

Objetivo:

•

Garantia de QoS fim-a-fim

23

Fases de Provisão de QoS

Pode-se definir um modelo genérico de operação,

para fornecedores com serviços de QoS, dividido

nas seguintes fases:

•

Iniciação do fornecedor de serviços;

•

Requisição de serviços;

•

Estabelecimento de contratos de serviço;

•

Manutenção de contratos de serviço e

•

Término de contratos de serviço.

Iniciação do fornecedor de serviços

Definição da infra-estrutura que dará suporte

aos serviços oferecidos

•

Definição do estado interno do sistema

Inclui informações sobre os recursos disponíveis

no sistema

•

Estaticamente compartilhado (dedicado)

– Dispositivos de E/S

•

Dinamicamente compartilhado

– Processador, memória, enlaces de rede

Requisição de serviços

Uma requisição se dá através da:

• Caracterização do Tráfego

– Caracterização de carga a ser produzida ou consumida pelos usuários (Ex.: taxa de pico)

• Especificação da QoS desejada (retardo de trânsito máximo)

– Deve ser compatível com o nível de abstração do usuário

(7)

26

Especificação da QoS

Contém informações relativas ao nível de serviço desejado pelo usuário. Exemplos:

• Melhor esforço (best effort)

– Fornecedor não dá nenhuma garantia de que a QoS será mantida dentro dos limites

• Garantido

– Manutenção da QoS dentro dos limites deverá ser garantida de qualquer forma. Usuário só será aceito se a QoS desejada puder ser mantida.

• Probabilístico

– Fornecedor deve periodicamente monitorar o serviço,

interrompendo-o caso a QoS não possa ser mantida dentro dos limites com a probabilidade especificada

27

Estabelecimento de contratos de serviço

Contrato de Serviço = Service Level Agreement (SLA) A orquestração dos recursos determina os recursos necessários em cada um dos subsistemas escolhidos. Ao receber uma nova requisição de serviço, o fornecedor determina se o ambiente tem recursos suficientes para manter a QoS desejada pelo usuário.

• Os mecanismos de controle de admissão de fluxossão os responsáveis por esses testes, que levam em conta, além do estado interno atual do fornecedor, a caracterização da carga e a especificação da QoS informadas pelos usuários durante a requisição de serviços.

28

Estabelecimento de contratos de serviço

Se o ambiente tiver recursos suficientes, o fornecedor admitirá o fluxo do usuário e fará a alocação dos

recursos necessários para servi-lo

Senão, ele poderá:

• rejeitar o fluxo do usuário

• ou lhe sugerir uma outra especificação de QoS factível de ser satisfeita.

Nesse último caso, se o usuário aceitar a nova proposta, seu fluxo é admitido, senão é rejeitado, podendo o usuário tentar requisitar o serviço novamente em outra oportunidade.

• Estes ciclos de requisição e resposta entre os usuários e o fornecedor são providos pelos mecanismos de negociação da QoS.

29

Estabelecimento de contratos de serviço

SLA pode ser:

• Estático:

– reserva de recursos e configuração do provedor são feitas manualmente pelo administrador

• Dinâmico:

– uso de um protocolo de sinalização específico

A provisão de serviços no modo dinâmico pode ser feita de forma:

• Centralizada

– Existência de um negociador de recursos ou Bandwith Broker (BB)

– Exemplo de protocolo de sinalização - COPS

• Distribuída

– cada estação e roteador presente no provedor é dotado de um

negociador próprio, responsável pelas decisões locais de reserva de recursos

(8)

30

Manutenção de contratos de serviço

Dentre os mecanismos presentes nessa fase, estão incluídos os de

• escalonamento de recursos

– Compartilhamento dinâmico de recursos entre diversos fluxos de dados presentes em um ambiente, de maneira tal que a QoS negociada para cada fluxo possa ser mantida, e que a utilização dos recursos seja a mais otimizada possível.

• monitorização de fluxos

– registro da carga efetivamente gerada pelos usuários e da QoS realmente oferecida pelo fornecedor.

– Policiamento dos fluxos

• sintonização da QoS

– manutenção da orquestração de recursos definida durante a negociação da QoS, sem que haja a necessidade de interrupção (isto é,

renegociação) do fornecimento do serviço.

• ajustes ou uso de recursos alternativos

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Término de contratos de serviço

O cliente deve informar ao provedor a sua

intenção em finalizar o contrato estabelecido.

O provedor inicia o procedimento de liberação

dos recursos que haviam sido reservados nos

vários subsistemas envolvidos com o

fornecimento do serviço correspondente.

Nos casos em que o próprio contrato especifica o

período em que o serviço será fornecido, os

procedimentos de finalização podem ser

automatizados.

Parametrização de Serviços

Informações sobre o comportamento dos fluxos

dos usuários e da infra-estrutura existente no

ambiente podem ser estruturadas através do uso

de parâmetros de caracterização do serviço.

•

Parâmetros de desempenho do fornecedor

– retardo de transmissão instantâneo

•

Parâmetros de caracterização de carga

– vazão máxima

•

Parâmetros de especificação da QoS

– retardo de transmissão máximo

Parâmetros de QoS

Parâmetros mais comuns:

•

Vazão (banda)

•

retardo (latência)

–Retardo de propagação

–Velocidade de transmissão

–Tempo de processamento nos equipamentos

•

Jitter

•

Taxa de perdas, taxa de erros

(9)

34

jitter

Variação de retardo

Efeito do jitter

35

Enlace de 1,5 Mbps

Fila de interface de saída de R1

Garantia

de

QoS

Modelo simples usado como exemplo:

36

Princípios para Garantias

de

QoS

Considere uma aplicação de áudio a 1 Mbps e uma aplicação FTP compartilhando um enlace de 1.5 Mbps.

• rajadas de tráfego FTP podem congestionar o roteador e fazer com que pacotes de aúdio sejam perdidos.

• deseja-se dar prioridade ao aúdio sobre o FTP

PRINCÍPIO 1: Marcação dos pacotes é necessária para o roteador distingüir entre diferentes classes; assim como novas regras de roteamento para tratar os pacotes de forma diferenciada

37

Princípios para Garantias

de

QoS

Considere uma aplicação de áudio a 1 Mbps e uma aplicação FTP de alta prioridade compartilhando um enlace de 1.5 Mbps.

• Pacotes FTP têm prioridade sobre os de áudio

PRINCÍPIO 1 (modificado): Classificação dos pacotes é necessária para o roteador distingüir entre diferentes classes; assim como novas regras de roteamento para tratar os pacotes de forma diferenciada

(10)

38

Princípios para Garantia

de

QoS

Considere uma aplicação de áudio mal comportada e uma aplicação FTP compartilhando um enlace de 1.5 Mbps.

• aúdio envia pacotes numa taxa superior a 1 Mbps anteriormente assumida; • Tráfego FTP não será atendido

PRINCÍPIO 2: fornecer proteção (isolamento) para uma classe em relação às demais

Exige mecanismos de policiamento para assegurar que as fontes atendem aos seus requisitos de banda passante. Classificação e policiamento precisam ser feitos nas bordas da rede (sistema final ou roteador de borda):

classificação de pacotes e policiamento

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Alternativa à marcação e policiamento: alocar uma porção da taxa de transmissão a cada fluxo de aplicação; pode produzir um uso ineficiente da banda se um dos fluxos não usa toda a sua alocação

PRINCÍPIO 3: Embora fornecendo isolamento, é necessário usar os recursos da forma mais eficiente possível

Princípios para Garantia

de

QoS

marcação de pacotes

enlace lógico de 1 Mbps

enlace lógico de 0,5 Mbps

Considere duas aplicações de áudio a 1 Mbps

Não deve ser aceito tráfego além da capacidade do enlace

PRINCÍPIO 4: É necessário um Controle de Admissão; a aplicação declara a necessidade do seu fluxo, a rede pode aceitar ou bloquear a chamada se a necessidade não puder ser satisfeita

Princípios para Garantia

de

QoS

Resumo

QoS para aplicações em redes

cl as sificação d e paco te s Isolam ento : esc alonament o e policiam ent o d os flu xos

alta eficiência de utilização

Controle d

e ad

(11)

42

Mecanismos

de

Escalonamento

Escalonamento: a escolha do próximo pacote

para transmissão num enlace pode ser feita de

acordo com várias regras:

•

FIFO

•

Filas com Prioridade

•

Round Robin

•

Weighted Fair Queuing (fila justa ponderada)

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Mecanismos

de

Escalonamento

FIFO (first-in-first-out) ou FCFS (first-come-first-served): na ordem de chegada na fila

• pacotes que chegam são enfileirados no buffer ou, caso o buffer esteja cheio, são descartados, ou uma política de

descarte é usada para determinar qual pacote descartar entre aquele que chega e aqueles que já estão na fila

chegadas partidas enlace (servidor) fila (área de espera) 44

Mecanismos

de

Escalonamento

Filas com Prioridade: classes têm diferentes prioridades; classes podem depender de marcação explícita ou de outras informações no cabeçalho, tais como, o endereço de origem ou de destino, número de portas, etc.

Transmite um pacote da prioridade mais alta que esteja presente na fila

Exemplo de versão não-preemptiva

chegadas

classificação

fila de baixa prioridade (área de espera) fila de alta prioridade

(área de espera) partidas partidas chegadas pacotes no servidor tempo tempo enlace (servidor) 45

Mecanismos

de

Escalonamento

Round Robin: percorre as classes presentes na fila, servindo um pacote de cada classe que tem pelo menos um representante na fila chegadas pacote em serviço partidas tempo tempo

(12)

46

Weighted Fair Queuing (fila justa ponderada): é

uma forma generalizada de Round Robin na qual

se tenta prover a cada classe um volume

diferenciado de serviço num dado período de

tempo

Mecanismos

de

Escalonamento

classificador de chegadas

partidas enlace

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Mecanismos

de

Policiamento

Três critérios:

• Taxa Média

– Limite da taxa média por intervalo de tempo

– o aspecto crucial é o tamanho do intervalo de tempo (100 pacotes por segundo ou 6000 pacotes por minuto??)

– Período relativamente longo • Taxa de Pico

– ex. 6000 pacotes por minuto na média e 1500 pacotes por segundo de pico

• Tamanho da Rajada

– número máximo de pacotes enviados consecutivamente, isto é, num curto período de tempo

Mecanismo Leaky Bucket / Token Bucket (balde

de permissões), oferece um meio de limitar a

entrada dentro de um tamanho de rajada e uma

taxa média especificados.

Mecanismos

de

Policiamento

pacotes _espera

token para a

rede balde pode conter

até b tokens r tokens/seg

Fundamentos de Sistemas Multimídia Fundamentos de Sistemas Multimídia Balde pode armazenar b tokens; tokens são gerados numa taxa de r token/seg exceto se o balde está cheio.

Num intervalo de tempo t, o número de pacotes que são admitidos é menor ou igual a (rt + b).

Token bucket e WFQ podem ser combinados para prover um limite superior ao retardo.

Mecanismos

(13)

50

Token bucket e WFQ podem ser combinados para prover um limite superior ao retardo.

R = taxa de transmissão no enlace R x w_i/ (∑∑∑∑w_j) = taxa da fila i

Retardo máximo da fila i = b_i/ (R x w_i/ (∑∑w∑∑ _j))

Mecanismos

de

Policiamento

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Qualidade de Serviço na Internet

Situação atual

• Internet de hoje fornece um serviço do tipo melhor esforço

– tráfego é tratado tão rápido quanto possível

– não há garantias temporais ou limites de erro

Clientes exigem mais

• Internet é hoje uma infra-estrutura comercial

– fornecimento de qualidade de serviço está sendo considerada cada vez mais um requisito essencial

– qualidade + serviço = capacidade para diferenciar entre tráfego ou tipos de serviço, de forma que o sistema possa tratar uma ou mais classes de tráfego diferentemente de outras

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Qualidade de Serviço na Internet

Trabalhos da IETF relacionados com garantias de QoS

• IETF tem proposto vários modelos de serviço e mecanismos para satisfazer a necessidade de QoS na Internet

– proporcionando um melhor controle sobre o tráfego na Internet

• na forma de priorização de certas aplicações (com certas

restrições temporais) em detrimento do restante (tráfego essencialmente melhor esforço)

• Entre estes trabalhos estão:

– IntServ - modelo de Serviços Integrados

– DiffServ - modelo de Serviços Diferenciados

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Serviços Integrados

Serviços Integrados (IntServ)

• IntServ é baseado na reserva de recursos

– aplicações devem primeiro configurar caminhos e reservar recursos antes dos dados serem transmitidos

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54

Serviços Integrados (IntServ)

•

alta granularidade na reserva de recursos, realizada

por fluxos individuais.

•

Roteadores devem ser capazes de reservar recursos

para fornecerem QoS especial para fluxos de

pacotes específicos do usuário

– estados específicos dos fluxos devem ser mantidos pelos roteadores

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Serviços Integrados (IntServ)

Identificação de um fluxo

• versão 4 do IP (IPv4), pela concatenação dos seguintes campos, presentes no cabeçalho dos pacotes:

– endereços IP de origem e destino, tipo do protocolo de transporte e portas de origem e destino.

– Acrescenta-se a esses campos o identificador da sessão de QoS. • versão 6 do protocolo IP (IPv6) introduziu o campo flow

label, identificando os fluxos de forma mais eficiente, pela simples leitura do endereço do transmissor juntamente com o campo flow label.

Admissão

de

Chamadas

A sessão deve primeiramente caracterizar o tráfego que ela enviará através da rede e solicitar seus requisitos

• T-spec: define as características de tráfego

• R-spec: define a QoS sendo solicitada

Um protocolo de sinalização transporta a R-spec e a T-spec aos roteadores onde a reserva deve ser pedida

• RSVP – Resource reSerVation Protocol

Admissão

de

Chamadas

Roteadores realizam o controle de admissão com

base nas suas R-spec e T-spec e com base nos

recursos correntemente alocados nos roteadores

para outras chamadas.

1. Pedido: especifica - tráfego (Tspec) - garantia (Rspec)

2. Elemento considera

3. Resposta: o pedido pode ou não ser atendido

(15)

59

Serviços Integrados (IntServ)

Classes de Serviço Propostas

• Serviço Melhor Esforço

• Serviço Garantido

– projetada para aplicações de tempo real críticas que são muito sensíveis ao retardo e a sua variação

– garantia de retardo máximo fim-a-fim, sem perda de pacotes

– Caracterização do tráfego (Tspec) + especificação da QoS (Rspec)

• Serviço de Carga Controlada

– projetada para as aplicações IP de hoje que se comportam bem quando a rede não está carregada

– Retardo baixo, próximo ao oferecido por um serviço de melhor-esforço em uma infra-estrutura de rede controlada (sem congestionamento).

– Caracterização do tráfego (Tspec)

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Serviços Integrados (IntServ)

Problemas da Arquitetura Serviços Integrados

• Montante de informações de estado aumenta proporcionalmente ao número de fluxos

–causa uma sobrecarga de armazenamento e processamento nos roteadores (arquitetura não é escalável)

• Requisitos nos roteadores são altos

–todos os roteadores devem implementar RSVP, controle de admissão, classificação e escalonamento de pacotes

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Serviços Diferenciados (DiffServ)

Origem

•

Surgiu devido as dificuldades de implementar e

utilizar Serviços Integrados/RSVP

Princípio

•

Agregação de fluxos em classes de serviço

•

Pacotes são marcados diferentemente para criar

várias classes de pacotes

– pacotes de diferentes classes recebem diferentes serviços

64

Serviços Diferenciados (DiffServ)

Classificação dos pacotes pode ser feita de 2 formas:

• baseada em vários campos do cabeçalho dos pacotes

– endereços de origem e destino, tipo e porta do protocolo de transporte, etc

– chamada classificação MF (Multi Field)

• baseada simplesmente, no campo DS, sendo, neste caso, denominada de classificação BA (Behavior Aggregate).

– campo TOS (Type Of Service) do cabeçalho do pacote IPv4 ou campo Class do cabeçalho do pacote IPv6

• setado pelo roteador de entrada do domínio diffserv ou pelo

(16)

65

Serviços Diferenciados (DiffServ)

Roteador de borda

• Classificação

Roteador central

• encaminhamento

roteador de borda: classificação, policiamento roteador central:

envio

66

Serviços Diferenciados (DiffServ)

O modelo diffserv não padroniza serviços, especificando apenas comportamentos de encaminhamento ou PHBs

(Per Hop Behaviors).

Um PHB descreve como será realizado o

encaminhamento dos pacotes pertencentes a uma mesma classe em cada roteador:

• EF (Expedited Forwarding)

– recomendável ao fornecimento de serviços com baixo retardo e variação, taxa de erros controlada e largura de banda assegurada. • AF (Assured Forwarding)

– permite a implementação de serviços com diferentes níveis de garantia de QoS, como os serviços probabilísticos, por exemplo.

– Serviços olímpicos

• Ouro, Prata e Bronze

Serviços Diferenciados (DiffServ)

Diferenças dos Serviços Integrados:

• Há apenas um número limitado de tipos de serviço indicados no campo DS

– conjunto de informações de estado é proporcional apenas ao número de classes e não proporcional ao número de fluxos

– Serviços Diferenciados é mais escalável do que Serviços Integrados

• Operações de classificação, marcação, policiamento e retardo são apenas necessárias nas fronteiras das redes

– funções simples no interior da rede

• Não define classes de serviço, ao invés disso fornece

componentes funcionais com os quais as classes de serviço podem ser construídas

Serviços Integrados sobre Diferenciados

intserv nas redes de acesso

• melhor razão utilização dos recursos / custo obtida com a reserva por fluxo característica desse modelo

• maior número atual de aplicações adaptadas a algum mecanismo de solicitação de serviços intserv, normalmente empregando uma das diversas APIs existentes no mercado diffserv nos provedores de backbone