Proyecto Fin de Carrera
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIÓN
UNIVERSIDAD DE MÁLAGA
Desarrollo de un Nodo Encaminador para
Filtrado y Simulación de Tráfico en Subredes IP
INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIÓN
Autor: D. Miguel Ángel Ruiz Lozano
Director: D. Eduardo Casilari Pérez
Departamento de Tecnología Electrónica
TE
Índice
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Introducción
Modelo de Servicios Diferenciados
Desarrollo de Encaminador DS
Interfaz de Usuario
Pruebas de funcionamiento
Conclusiones y líneas futuras
2
Necesidad de Calidad de Servicio

Internet
• Valorada por la gran cantidad de contenidos
• Servicio de transporte de datos: Best Effort

Infraestructura comercial  Nuevos Servicios
• VoIP, Videoconferencia, Telecontrol, comercio-e
• Garantías de Ancho de Banda, retardo máximo, jitter

Servicio Best Effort
• No ofrece garantías
• No se adapta a los nuevos servicios IP

Solución: Dotar a IP de Mecanismos de Calidad de Servicio
• Mejoran el Servicio de transporte de datos IP
3
Calidad de Servicio

¿Qué es Calidad de Servicio?
• Capacidad de la red de proporcionar un mejor servicio
a un determinado tráfico

¿Cómo conseguir Calidad de Servicio?
• Trato preferente a determinados tráficos a nivel IP
• No crea ancho de banda  Uso más eficiente

Estrategias de diferenciación
• Reserva
• Asignación de prioridades
4
Estrategias de diferenciación

Reserva
• Reserva recursos para uso exclusivo de un
determinado flujo
• Garantía total
• Poco escalable

Asignación de prioridades
• Asigna distintas prioridades a determinados
agregados de tráfico
• Garantía estadística
• Control en nodos de acceso  Garantía Total
• Escalable
5
Modelos de Calidad de Servicio

IPv4 e IPv6 soportan asignación de prioridades
• Tipo de Servicio (ToS) para IPv4
• Clase de Tráfico en IPv6

No pueden ofrecer calidad de servicio extremo a
extremo
• No poseen mecanismos de control y vigilancia propios

Solución: Modelos de Calidad de Servicio
• Servicios Integrados (IntServ) y RSVP
• MPLS (MultiProtocol Label Switching)
• Servicios Diferenciados (DiffServ)
6
Índice
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Introducción
Modelo de Servicios Diferenciados
Desarrollo de Encaminador DS
Interfaz de Usuario
Pruebas de funcionamiento
Conclusiones y líneas futuras
7
Modelo de Servicios Diferenciados

Alternativa al Modelo de Servicios Integrados
• Solución a dificultad de implementación y escalabilidad

Idea Básica
• Clasificar el tráfico en grupos de tráfico con distintas prioridades
• Mejor servicio a paquetes de grupo de mayor prioridad

Escalable
• Asigna recursos a un conjunto limitado de clases de tráfico
• Complejidad crece en función del número de clases

Diseño basado en Paradigma IP
• Complejidad de gestión de recursos en los extremos
• Núcleo de red simple y rápido
8
Arquitectura de Servicios Diferenciados

Dominio de Servicios Diferenciados (RFC 2475)
• Conjunto de nodos contiguos con soporte de DS y mismos PHB
• Nodos Frontera y Nodos Interiores

Agregado ó BA
• Conjunto de paquetes que recibirán el mismo tratamiento dentro del
dominio DS

DSCP (RFC 2474)
• Código de la cabecera IP que identifica el agregado del paquete
• 6 bits más significativos de ToS de IPv4  64 agregados diferentes

PHB ó Tratamiento nodo a nodo
• Tratamiento que cada nodo aplica a un determinado agregado
• Acondicionamiento, Gestión de entrada de cola y planificación de salida

PHB de la IETF
• Servicio Premium/PHB EF(Expedited Forwarding) (RFC 3246)
• Servicio Asegurado/PHB AF(Assured Forwarding) (RFC 2597)
• Servicio Best Effort/PHB Best Effort
9
Expedited Forwarding (EF)

Mayor nivel de Prioridad
• Mínimas pérdidas, bajo retardo y bajo jitter

Estrategias de implementación
• Limitar tasa máxima de tráfico EF
• Conformado / Eliminación
• Modelo de colas con Cola EF prioritaria

Apropiado para Aplicaciones de Tiempo Real
• VoIP
• Videoconferencia

DSCP Recomendado: 101110
10
Assured Forwarding (AF)

Prioridad Media
• Garantías menos estrictas que EF
• Apropiadas para tráfico a ráfagas

Grupo de PHB AFxy
• 1 < x < 4  4 grupos AFx
• 1 < y < 3  3 prioridades de descarte

Implementación
Prioridad de
Descarte
Clase 1
Clase 2
Clase 3
Clase 4
Baja
(AF11)
001010
(AF21)
010010
(AF31)
011010
(AF41)
100010
Media
(AF12)
001100
(AF22)
010100
(AF32)
011100
(AF42)
100100
Alta
(AF13)
001110
(AF23)
010110
(AF33)
011110
(AF43)
100110
• Medidor de conformado
• Marcador de prioridad de descarte
• WRED en Sistema de Colas de Salida

Apropiado para tráfico a ráfagas
• Aplicaciones que funcionan sobre TCP
11
Best Effort

Servicio Básico
• Tratará de encaminar lo mejor posible
• Sin ninguna garantía

Tráfico sin contrato AF ó EF
• Tráfico que no desea calidades superiores

Tráfico EF y AF no conforme a perfil de tráfico
• Si la política así lo estima

DSCP recomendado 000000
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Modelo de Servicios Diferenciados
Proveedor
de Servicios
de Internet (ISP)
TCA
Dominio DiffServ
SLA
Nodo DiffServ
Interior
Nodo DiffServ
Frontera
Usuario
Nodo DiffServ
Interior
13
TCA

TCA o Acuerdo de Acondicionamiento de Tráfico
• Define el Perfil de cliente

Perfil de Cliente
• Perfil de tráfico
• Parámetros de clasificación

Perfil de tráfico
• Especifica las propiedades del tráfico contratado
• En forma de parámetros Token Bucket

Parámetros de clasificación
• Permite al clasificador distinguir tráfico del cliente
• Localización: IP origen/destino, Aplicación: Puerto origen/destino
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Modelo de Servicios Diferenciados
Proveedor
de Servicios
de Internet (ISP)
TCA
Dominio DiffServ
SLA
Nodo DiffServ
Interior
Nodo DiffServ
Frontera
Usuario
Clasifica  Perfil Cliente
Acondiciona (TCA)
( Ajusta tráfico al perfil de tráfico contratado )
( Asocia BA del Dominio  Marca DSCP )
Nodo DiffServ
Interior
Clasifica  BA
Aplica PHB
Clasifica  BA
Aplica PHB
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Índice
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Introducción
Modelo de Servicios Diferenciados
Desarrollo de Encaminador DS
Interfaz de Usuario
Pruebas de funcionamiento
Conclusiones y líneas futuras
16
Elección del Entorno de Trabajo

Sistema Operativo Windows
• S.O. más extendido
• Ninguna versión libre de encaminador DS para Windows

Lenguaje de programación C++
• Códigos ejecutables rápidos
• Orientado a objetos  Reutilización del código

Estilo de programación Multithread
• Aplicación eficiente

Arquitectura WinPcap
• Captura de paquetes
• Más eficiente y robusta que Interfaz Socket
17
Diagrama de bloques
18
Módulo de Servicios Diferenciados

Implementación de elementos basada en la RFC 3290:
“Modelo Informal de Gestión para Routers DiffServ”
19
Clasificador

Tráfico de entradaPerfil de ClienteGestor de Tráfico

Conjunto de Filtros no solapados
• Aplica al tráfico de entrada siguiendo un orden de precedencia

Filtro
• Condiciones sobre campos del paquete claves para clasificación

Clasificador MF
• Filtros MF/Multicampo

6-tuple: IP origen/destino, puertos origen/destino, DSCP, protocolo aplicación
• Nodos Frontera

Clasificador BA
• Filtros BA

Campo DSCP
• Nodos Interiores
20
Gestor de Tráfico


Acondiciona el tráfico según las políticas y parámetros contratados
Tipos de Gestores en función del tratamiento que van a aplicar
• EF, AF y Best Effort
• Tratamiento  Acción combinada de los elementos del Gestor

Elementos del Gestor
• Medidor  Analiza las propiedades del tráfico vs perfil de tráfico
• Marcador  Marca los paquetes con el DSCP apropiado
• Conformador / Eliminador  Ajustar el tráfico a la salida
21
Conformador / Eliminador

Conformador Token Bucket

Eliminador: Token Bucket con Tamaño de Cola = 0
22
Medidor

Medidor de 2 niveles de
conformado

Medidor de 3 niveles de
conformado
No Conformes
Conformes

SemiConformes
Miden Conformidad del tráfico vs Perfil de tráfico
• Medidor Token Bucket
• Tráfico a la salida de un algoritmo Token Bucket sin cola
23
Sistema de Colas de Salida

3 Sesiones: EF, AF y Best Effort

Sesión
• Cola FIFO
• Mecanismos de gestión y planificación
24
Mecanismos de Gestión de Entrada

TailDrop
• Elimina paquetes por final de cola
cuando ésta esta llena
• Sincronización global TCP


RED
•
•
•
•

Utilización ineficiente de la red
Descarta estadísticamente
Evita Sincronización global TCP
Mantiene cola con tamaño medio
No precedencias de descarte
WRED
• RED con prioridades de descarte
• WRED de 3 niveles  AFxy
25
Disciplinas de Planificación de Salida

FIFO
• Sirve en orden de llegada

PQ ó colas de prioridades
• Asigna distintas prioridades a
las colas

WFQ
• Distribuye el Ancho de Banda
de salida de forma justa

SCFQ
• WFQ menos compleja
• Mayor retardo en Peor Caso

WF2Q+
• WFQ mucho menos compleja
• Distribuye el Ancho de Banda
de salida de forma mas precisa
26
Características del Software Final

Dos versiones de Encaminador con y sin Interfaz Gráfico

Características comunes
• Dan soporte de Servicios Diferenciados
• Se autoconfiguran desde ficheros a intervalos programados

Facilita la Configuración remota a través de FTP
• Realizan volcado periódico de medidas a fichero

Hace posible llevar un seguimiento remoto del comportamiento
• Implementan funciones de Proxy ARP para montar una Red Virtual ARP

Con Interfaz Gráfico
•
•
•
•

Muestra estadísticas de tráfico y encaminamiento en tiempo real
Facilita la creación de nuevos clientes a través de menús interactivos
Permite la modificación de parámetros en tiempo real
Lectura y volcado de parámetros de configuración y clientes a través de
ficheros
Sin Interfaz Gráfico
• Prevenir problemas de incompatibilidad Interfaz Gráfico – Versión Windows
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Índice
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Introducción
Modelo de Servicios Diferenciados
Desarrollo de Encaminador DS
Interfaz de Usuario
Pruebas de funcionamiento
Conclusiones y líneas futuras
28
Panel Configuración
29
Panel Cola de Entrada
30
Panel Clasificador
31
Panel Gestor de Tráfico
32
Panel Gestor de Tráfico
33
Panel Gestor de Tráfico
34
Panel Adaptadores
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Índice
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Introducción
Modelo de Servicios Diferenciados
Desarrollo de Encaminador DS
Interfaz de Usuario
Pruebas de funcionamiento
Conclusiones y líneas futuras
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Escenario de Pruebas



Equipo A con 3 tarjetas Ethernet  Clientes Iperf (Emisores)
Equipo B con 2 tarjetas Ethernet  Servidores Iperf (Receptor)
Encaminador DiffServ con 3 tarjetas Ethernet
37
Encaminamiento Best Effort
Iperf –c 192.170.0.1 –u –B 192.169.0.1 –b 2m –t 10 –p 5001
2 Mbps
Iperf –s –u –B 192.170.0.1 –p 5001
2 Mbps
38
Marcado de Paquetes
Expedited Forwarding
39
Conformado
40
Conformado
3 Mbps
0 Paquetes Perdidos
1 Mbps
41
Eliminación
42
Eliminación
3 Mbps
Paquetes perdidos > 0
1 Mbps
43
Mecanismos RED
44
Planificación de Salida
50
40
10
45
Capacidad de Trabajo del Software

Funcionalidad
• Ordenador compatible Pentium o superior
• Sistemas Operativos Windows 9x, NT, 2000 y XP
• Arquitectura WinPcap versión 2.3 o superior

Características del SW sobre Athlon XP 1.8 Ghz
• Velocidad de conmutación de hasta 40 Mbps de tráfico a la
entrada
• Jitter menores al microsegundo para baja carga
• Retardos menores al milisegundo para baja carga
• Precisión de ancho de banda de salida de conformado
entorno al 1 % del valor objetivo
• Capacidad para soportar mas de 10 agregados de 3 Mbps
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Índice
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Introducción
Modelo de Servicios Diferenciados
Desarrollo de Encaminador DS
Interfaz de Usuario
Pruebas de funcionamiento
Conclusiones y líneas futuras
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Conclusiones

Servicios Diferenciados, QoS más apropiada hoy día
• Por escalabilidad y sencillez de implementación
• MPLS como apuesta de futuro


Magníficas características de conmutación, Ingeniería de Tráfico y VPN
C++ y la multitarea para aplicaciones eficientes
• Aplicación rápida, eficiente y robusta de cara al encaminamiento

Encaminador DS útil para I+D
• Facilita la investigación de futuras mejoras del estándar DiffServ
• Sirve de importante base para el desarrollo de otros productos

Encaminador DS como producto final
• Permite dar soporte QoS de forma sencilla
• Totalmente gestionable de forma remota
48
Líneas futuras

Buscar configuración óptima de parámetros DiffServ
del Encaminador
• Para tráficos determinados: VoIP, videoconferencia

Añadir funcionalidad para que soporte protocolos
• De configuración remota estándar: SNMP ó COPS
• De intercambio de información de encaminamiento: BGP
ó OSPF

Transformar en Agente Local de Mobile IP
• Partiendo de las Clases y métodos para manejo del
protocolo ARP implementadas en el proyecto
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Proyecto Fin de Carrera
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UNIVERSIDAD DE MÁLAGA
Desarrollo de un Nodo Encaminador para
Filtrado y Simulación de Tráfico en Subredes IP
INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIÓN
Autor: D. Miguel Ángel Ruiz Lozano
Director: D. Eduardo Casilari Pérez
Departamento de Tecnología Electrónica
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