Calidad de Servicio en Redes de Datos
La mayoría de las redes de datos han sido diseñadas como sistemas del tipo “mejor esfuerzo” y brindan tratamientos similares a cualquier tipo de tráfico. El tráfico de paquetes experimenta en este tipo de redes diversos tipos de degradaciones, incluyendo pérdida de paquetes y demoras fijas y variables. Se ha visto, en secciones anteriores, como estos factores introducen degradaciones en la calidad percibida de los servicios multimedia (de voz y video).
En esta sección se describen algunas de las técnicas empleadas en redes IP para implementar estrategias de manejo de “calidad de servicio” (QoS, Quality of Service), que permitan tratar en forma diferenciada a cada tipo de tráfico. Estas técnicas de QoS intentan minimizar las degradaciones introducidas en los servicios multimedia, de manera de mantener una calidad percibida (QoE, Quality of Experience) aceptable por parte de los usuarios.
QoS en Capa 2
Las recomendaciones IEEE 802.1q [49] y IEEE 802.1p [50] incorporan 4 bytes adicionales a las tramas Ethernet, donde se puede incluir información acerca de VLANs y etiquetas que identifican la “prioridad” de la trama. La Figura 6.1 muestra una trama Ethernet “normal” y una trama Ethernet 802.1q.
Existen diversas estrategias de encolamiento, las que pueden estar total o parcialmente soportadas por los switches o routers de la red:
- FIFO (First In, First Out): El primer paquete que haya ingresado en una cola, es el primero en salir.
- PQ (Priority Queuing): La salida de los paquetes se realiza según el orden estricto de prioridad, y dentro de cada prioridad, según el orden de llegada. Este tipo de encolamiento puede hacer que, si existe siempre tráfico de alta prioridad, el tráfico de baja prioridad nunca sea enviado.
- FQ (Fair Queuing): Es un esquema en el que cada cola se accede en forma circular, asegurando una distribución uniforme de ancho de banda entre todas las colas.
- WRR (Weighted Round Robin): Permite asignar diferentes anchos de banda a cada cola.
- WFQ (Weighted Fair Queuing): Es una combinación de PQ y FQ, garantizando que aplicaciones de alto tráfico no monopolicen el enlace.
También puede implementarse, a nivel de capa 2, priorización basado en VLANs. Las “VLANs” (Virtual LANs, o redes LAN virtuales) permiten utilizar los mismos medios físicos para formar varias redes independientes, a nivel de la capa 2. Un mismo conjunto de switches pueden implementar, utilizando VLANs, varias redes LAN independientes.
Los criterios para formar las VLAN pueden ser varios. Entre los más comunes se encuentran:
- VLAN por puertos: Los puertos de los switches se agrupan en VLANs. De esta manera, las máquinas conectadas a un puerto únicamente “ven” a las máquinas que están conectadas a puertos de la misma VLAN.
- VLAN por direcciones MAC: Las direcciones MAC se agrupan en VLAN. De esta manera, se puede restringir la red únicamente a ciertas direcciones MAC, independientemente de en que puerto de los switches se conecten.
- VLAN por protocolo: Algunos switches que soportan VLAN pueden inspeccionar datos de la capa 3, como el protocolo utilizado, y formar redes independientes según estos protocolos.
- VLAN por direcciones IP: Las direcciones IP (de capa 3) pueden ser leídas por los switches, y pueden formarse redes independientes con ciertos conjuntos de direcciones IP.
Muchos switches de datos permiten implementar cierta priorización del tráfico basado en VLANs. De esta forma, se puede poner a todos los dispositivos de VoIP en la misma VLAN, y darle prioridad frente al tráfico de otras VLANs, dedicadas a aplicaciones de datos. Adicionalmente, en este caso el tráfico de voz no se ve.
QoS en Capa 3
A nivel de capa 3 (protocolo IP en este caso), el mecanismo conocido DiffServ (Differentiated Services) es comúnmente utilizado para gestionar prioridad en los paquetes. DiffServ es un método efectivo para mantener la calidad de servicio (QoS, Quality of Service) en la red, cuando existen equipos de capa 3 (routers, switches de capa 3, etc.). La información de priorización se encuentra en el cabezal del paquete IP, en un campo llamado TOS (Type Of Service), como se muestra en la Figura 6.4. Este campo contiene, a su vez, dos informaciones: DSCP (Differentiated Services Code Point) y ECN (Explicit Congestion Notification).
En el campo DSCP es posible codificar hasta 26 = 64 posibles prioridades. De éstas, 32 están reservadas para usos experimentales y 32 pueden ser utilizadas, de las cuales, a su vez, 21 están estandarizadas por el IETF. Las prioridades estandarizadas se dividen en 3 grupos:
- DE (Default): Se asume el comportamiento por defecto, utilizando por tanto técnicas de encolamiento de “mejor esfuerzo”. El valor típico de DSCP para este tipo de tráfico es 000000.
- AF (Assured Forwarding): Estandarizado en el RFC 2597, donde se definen 4 clases de prioridades dentro de este tipo de priorización.
- EF (Expedited Forwarding): Estandarizado en el RFC 2598, establece las máximas prioridades para el tráfico marcado con este identificador. El valor típico de DSCP utilizado es 101110.
Otro de los mecanismos utilizados para asegurar cierta calidad de servicio es la reserva de ancho de banda. El protocolo RSVP (Resource Reservation Protocol) establece los mecanismos para reservar cierto ancho de banda en la comunicación entre dispositivos que pasen a través de routers.
El tráfico también puede ser priorizado en base a la dirección IP de origen o destino. Esto puede ser implementado cuando se utilizan direcciones IP estáticas.
QoS en Capa 4 y superiores
Los paquetes de datos pueden ser priorizados en base a los puertos TCP o UDP. Sin embargo, diferentes aplicaciones podrían utilizar los mismos puertos, por lo que este tipo de priorizaciones debe ser evaluada en cada caso.
Es posible también tener prioridades según el protocolo de capas superiores. Por ejemplo, puede ser priorizado el tráfico RTP respecto a otros, y asignarlo a las colas de alta prioridad.