Evaluación de mecanismos de calidad
de servicio en los routers para servicios
multimedia
Santiago Felici
Doctorado: Sistemas y Servicios Telemáticos
1
Sumario
•
•
•
•
QoS y flujos: definición
Modelos de servicio
Modelo de colas
Modelos de fragmentación y descarte
2
¿Qué es QoS?
• Se refiere a la habilidad de la red, de ofrecer prioridad a
unos determinados tipos de tráfico, sobre diferentes
tecnologías, incluyendo: Frame Relay, Asynchronous
Transfer Mode (ATM), LANs y líneas dedicadas.
• QOS lo definen 4 parámetros: ancho de banda, retraso temporal,
variación de retraso (o jitter) y probabilidad de error (o pérdida
de paquetes o fiabilidad)
• QoS está directamente relacionado con el tamaño de colas y la
congestión de la red, con la velocidad de conmutación y ancho de
banda de los enlaces
• QoS provee de mejores y más predecibles servicios a la red
mediante:
 Soporte de ancho de banda dedicado.
 Mejorando la características de perdida de paquetes.
 Evitando y manejando la congestión de la red.
 Organizando el tráfico.
 Introduciendo prioridades de tráfico a lo largo de la red.
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Requerimientos de Calidad de
Servicio de las aplicaciones
Aplicación
Fiabilidad Retardo
Jitter
Ancho de Banda
Correo electrónico
Alta (*)
Alto
Alto
Bajo
Transferencia de ficheros
Alta (*)
Alto
Alto
Medio
Acceso Web
Alta (*)
Medio
Alto
Medio
Login remoto
Alta (*)
Medio
Medio
Bajo
Audio bajo demanda
Media
Alto
Medio
Medio
Vídeo bajo demanda
Media
Alto
Medio
Alto
Telefonía
Media
Bajo
Bajo
Bajo
Vídeoconferencia
Media
Bajo
Bajo
Alto
(*) La fiabilidad alta en estas aplicaciones se consigue automáticamente al utilizar
el protocolo de transporte TCP
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Ejemplo: Necesidad QoS en VoIP
(telefonía sobre Internet)
• VoIP requiere misma calidad que teléfono
tradicional.
 Los usuarios de aplicaciones de VoIP, necesitan obtener la
misma calidad de transmisión que la recibida hasta entonces
mediante la red telefónica básica. Esto implica alta calidad en
las transmisiones de voz.
• Muy Sensible a retardos, y necesita un
ancho de banda garantizado.
 Las aplicaciones de VoIP tienen una gran sensibilidad ante los
retardos, y necesitan un mínimo ancho de bada garantizado.
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Ejemplo: Necesidad QoS en VoIP
(telefonía sobre Internet)
• Perdida de paquetes < 1%
 El codec por defecto G.729 requiere que el número de paquetes
perdidos sea menor del 1% para evitar errores perceptibles.
Idealmente no debe de producirse perdida de paquetes.
• Retraso extremo-extremo < 150 ms
 La especificación de la ITU G.114 recomienda menos de 150 ms de
retraso máximo entro los nodos extremos(bordes de la red), para
tráfico en tiempo real, como la voz.
• Los paquetes de VoIP deben recibir un trato
especial
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Congestión y Calidad de Servicio
• Sería muy fácil dar Calidad de Servicio si las
redes nunca se congestionaran. Para ello habría
que sobredimensionar todos los enlaces, cosa no
siempre posible o deseable.
• Para dar QoS con congestión es preciso tener
mecanismos que permitan dar un trato distinto al
tráfico preferente y cumplir el SLA (Service Level
Agreement).
• El SLA suele ser estático y definido en el
momento de negociación del contrato con el
proveedor de servicio o ISP (Internet Service
Provider).
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Efectos de la congestión en el tiempo
de servicio y el rendimiento
Sin
Congestión
Congestión Moderada
Congestión
Fuerte
Sin
Congestión
Congestión Moderada
Congestión
Fuerte
Rendimiento
Tiempo de Servicio
Aquí QoS!!
Carga
QoS inútil
QoS útil
y viable
QoS inviable
Carga
QoS inútil
QoS útil
y viable
QoS inviable
Por efecto de retransmisiones
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Calidad de Servicio (QoS)
• Decimos que una red o un proveedor ofrece
‘Calidad de Servicio’ o QoS (Quality of Service)
cuando se garantiza el valor de uno o varios de los
parámetros que definen la calidad de servicio que
ofrece la red. Si el proveedor no se compromete en
ningún parámetro decimos que lo que ofrece un
servicio ‘best effort’.
• El contrato que especifica los parámetros de QoS
acordados entre el proveedor y el usuario (cliente)
se denomina SLA (Service Level Agreement)
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Calidad de Servicio en Internet
• La congestión y la falta de QoS es el principal
problema de Internet actualmente.
• TCP/IP fue diseñado para dar un servicio ‘best
effort’.
• Existen aplicaciones que no pueden funcionar en
una red congestionada con ‘best effort’. Ej.:
videoconferencia, VoIP (Voice Over IP), etc.
• Se han hecho modificaciones a IP para que pueda
funcionar como una red con QoS
10
Red Internet
Mirar prioridad y
aplicar QoS
Mirar prioridad y
aplicar QoS
Mirar prioridad y
aplicar QoS
H.323, lo marco
como prioritario
Trafico H.323
Aplico QoS, y
quito las marcas
Trafico FTP
Trafico HTTP
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Calidad de servicio en Internet:
mecanismos
• Se han desarrollado y estandarizado los dos mecanismos de QoS,
reserva y prioridad:
 IntServ (Integrated Services) y protocolo RSVP. El usuario
solicita de antemano los recursos que necesita; cada router del
trayecto ha de tomar nota y efectuar la reserva solicitada.
 DiffServ (Differentiated Services). El usuario marca los
paquetes con un determinado nivel de prioridad; los routers
van agregando las demandas de los usuarios y propagándolas
por el trayecto. Esto le da al usuario una confianza razonable
de conseguir la QoS solicitada. Es el más interesante
actualmente.
... (ambos son compatibles y pueden coexistir)
No hemos incluido Best Effort, porque es equivalente a no hacer
nada, el más fácil de implementar con gestión de colas por FIFO
(First In, First Out)
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Concepto de flujo
• Un flujo es una secuencia de datagramas que se
produce como resultado de una acción del usuario y
requiere la misma QoS
• Un flujo es simplex (unidireccional)
• Un flujo es la entidad más pequeña a la que los routers
pueden aplicar una determinada QoS
• Ejemplo: una videoconferencia estaría formada por
cuatro flujos, dos en cada sentido, uno para el audio y
otro para el vídeo.
• Los flujos pueden agruparse en clases; todos los flujos
dentro de una misma clase reciben la misma QoS.
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Flujos en una videoconferencia
A
147.156.135.22
B
158.42.35.13
Flujo vídeo A->B: 147.156.135.22:2056 -> 158.42.35.13:4065
Flujo audio A->B: 147.156.135.22:3567 -> 158.42.35.13:2843
Flujo vídeo B->A: 158.42.35.13:1734 -> 147.156.135.22:6846
Flujo vídeo B->A: 158.42.35.13:2492 -> 147.156.135.22:5387
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Agrupación de flujos o clases en vídeo
Flujo ‘rojo’ (128 Kb/s):
147.156.21.20.2038158.26.112.76.2127
Reserva total flujos de vídeo:
en sentido X Y: 384 Kb/s
Vídeo 128 Kb/s
IP: 147.156.21.20
Puerto UDP: 2038
X
Y
Flujo ‘verde’ (256 Kb/s):
147.156.47.12.3124158.26.36.97.5753
Vídeo 256 Kb/s
IP: 147.156. 47.12
Puerto UDP: 3124
IP: 158.26.112.76
Puerto UDP: 2127
IP: 158.26.36.97
Puerto UDP: 5753
128 Kbps + 256 Kbps= 384 Kbps
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Identificación de flujos
• En IPv4 se hace por:
Dirección IP de origen
Puerto de origen
Dirección IP de destino
Puerto de destino
Protocolo de transporte utilizado (TCP o UDP)
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Sumario
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•
•
•
QoS y flujos: definición
Modelos de servicio
Modelo de colas
Modelos de fragmentación y descarte
17
Arquitectura QoS en una red
•
No todos los routers tienen la misma
estructura:
Routers del
interior
Routers
del borde
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Arquitectura QoS en una red
• No todas las técnicas son apropiadas para todos los routers
de la red.
• Debemos de seleccionar las características apropiadas de
QoS en cada sitio.
Routers del borde
 Clasificación de paquetes.
 Control de admisión.
 Administración de la
configuración.
Routers del interior
 Tratamiento de la
congestión.
 Evitar congestión.
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MODELOS DE SERVICIO
(QoS)
• Best-Effort Service
• Integrated Service
• Differentiated Service
Best-Effort Service
• Es el modelo más sencillo.
 Es un modelo simple de servicio, en el cual, una
aplicación envía información cuando ella lo desea,
en cualquier cantidad, sin ningún permiso requerido,
y sin informar previamente a la red.
• No asegura, throughput, retraso o fiabilidad
 La red reparte o envía la información si puede, sin
asegurar ningún retraso, throughput o fiabilidad
• Usa modelo de cola FIFO(First-in fisrt-out)
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MODELOS DE SERVICIO
(QoS)
• Best-Effort Service
• Integrated Service
• Diferentiated Service
Integrated Service
• Integrated Service. Dos tipos de QoS.
 Este modelos también es conocido en muchas áreas
de la literatura de QoS, como Guaranteed level. Se
le llama así porque uno de los dos tipos de QoS que
ofrece garantiza recursos íntegramente.
• Antes de enviar datos  petición servicio
 En este modelo, una aplicación realiza una petición
de una clase de servicio específica a la red, antes de
comenzar a enviar información.
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Integrated Service
• Señalización explicita  Clase de servicio !
 La petición se realiza mediante una señalización
explicita, de modo que la aplicación informa a la red del
perfil o características de su tráfico, y pide una clase
particular de servicio que pueda satisfacer sus
requerimientos, tanto de ancho de banda como de retraso.
• La red confirma la petición.
 La aplicación queda a la espera de enviar la información
hasta recibir la confirmación de la petición por parte de la
red.
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Integrated Service
• La red realiza control de admisión.
 La red realiza una control de admisión, en función de la
petición realizada por la aplicación y los recursos
disponibles en la red.
• La red guarda información de estado.
 La red mantiene información del estado de sí misma por
flujos, mirando la clasificación, normas, y el algoritmo de
cola en cada estado.
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Integrated Service
RSVP
RSVP: Mecanismo más utilizado en el modelo
‘Integrated Services’. Es un protocolo de
señalización, no de routing.
 El mecanismo más importante para llevar a cabo el modelo
‘Integrated Service’ es el llamado RSVP, Resource
Reservation Protocol, que puede ser utilizado por las
aplicación para enviar los requerimientos de QoS al router.
Con RSVP pueden
usarse 2 mecanismos
(o clases de servicio)
Guaranteed Rate Service
Equivalente en ATM a CBR, VBR-rt
Controled Load Service
Equivalente en ATM a VBR-nrt
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Problemas de IntServ/RSVP
• RSVP produjo una euforia inicial (1996-1997)
que luego dió paso a la decepción.
• La razón principal fueron problemas de
escalabilidad debidos a la necesidad de
mantener información de estado en cada
router de cada flujo. Esto hace inviable usar
RSVP en grandes redes, por ejemplo en el ‘core’
de Internet.
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MODELOS DE SERVICIO
(QoS)
• Best-Effort Service
• Integrated Service
• Differentiated Service
Differentiated Service
• Modelo basado en uso de múltiples clases.
 Differentiated Service es un modelo de múltiples servicios que puede
satisfacer diferentes requerimientos de QoS.
• No usa señales  Integrated Services.
 No utiliza señales para especificar los servicios requeridos de la red
previamente, lo cual lo diferencia del nivel o modelo Integrated
Service, que veremos a continuación.
• Clase especificada por: IP Precedence, DSCP
 En este modelo, la red intenta hacer un reparto basándose en una serie
de clases de QoS, especificadas en cada paquete. Esta clasificación se
puede realizar usando diferentes métodos, como IP Precedence o DSCP.
DSCP= Differentiated Service Code Point
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Pasos para la aplicación de QoS
en DiffServ
• Comprobar que existe suficiente ancho de
banda para cursar la comunicación.
• Clasificación y marcado de paquetes por la
dirección IP, puertos, etc
• Elección de un mecanismo de cola eficiente
que respete la SLA.
• Mecanismo de fragmentación.
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Sumario
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•
•
•
QoS y flujos: definición
Modelos de servicio
Modelo de colas
Modelos de fragmentación y descarte
31
Mecanismos de cola
QoS
• First-in First-out (FIFO)
• Priority Queuing(PQ)
• Custom Queuing (CQ)
• Weighted Fair Queueing (WFQ)
y otros
FIFO, el más básico
• Usa la técnica de Almacenamiento y reenvío
 En su forma más sencilla, el mecanismo de cola FIFO, se
encarga de almacenar paquetes cuando hay congestión en
la red, y a enviarlos cuando tiene la posibilidad,
manteniendo el orden de llegada, es decir, que no ofrece
ninguna prioridad de unos paquetes sobre otros.
 Es el método más rápido.
 Este es el mecanismo que se suele utilizar por defecto,
como ya comentamos anteriormente cuando hablamos de
‘best-effort’.
 Cisco lo utiliza por defecto en enlaces superiores a T1
(1.5 Mbps)
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FIFO
• FIFO está limitado por su bufer.
 Este algoritmo, al igual que ocurre con el resto de
mecanismo de cola, tiene como limitación la
capacidad de su bufer en momentos de congestión.
• No es recomendable para QoS.
 Hoy en día se necesitan algoritmos más sofisticados,
que permiten diferenciar entre distintos tipos de
paquete, por lo que este método está cayendo en
desuso.
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Mecanismos de cola
QoS
• First-in First-out (FIFO)
• Priority Queuing(PQ)
• Custom Queuing (CQ)
• Weighted Fair Queueing (WFQ)
y otros
Prioritizing Traffic (PQ)
• Da prioridad estricta al tráfico importante
 Asegura que el tráfico importante reciba un
servicio rápido en cada punto de la red, donde está
mecanismo este presente.
• Existen 4 clases de prioridad de tráfico
 En el mecanismo PQ, cada uno de los paquetes debe de
ser colocado en una de las cuatro posibles colas (alta,
media, normal, baja prioridad), servidas en riguroso
orden de prioridad, lo cual puede crear inanición.
 Ofrece garantías totales.
 Las prioridades se definen por filtros en los routers.
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Prioritizing Traffic (PQ)
• Clasificación: Protocolo,interfaz de acceso
dir. Origen y destino, tamaño del paquete.
 La prioridad de los paquetes puede diferenciarse por
diversos medios, como: el protocolo de red, el interfaz
del router por el que llegue el paquete, el tamaño del
paquete y la dirección de origen o destino.
 Los paquetes que no se puedan clasificar serán asignados
a la cola de prioridad normal.
• Inconveniente: Este método es estático y no se
adapta a los requerimientos de la red.
• Además, puede crear inanición, es decir dejar
fuera de servicio a tráfico menos prioritario.
37
Esquema gráfico (PQ)
38
Mecanismos de cola
QoS
• First-in First-out (FIFO)
• Priority Queuing(PQ)
• Custom Queuing (CQ)
• Weighted Fair Queueing (WFQ)
y otros
Custom Queueing (CQ)
• Permite que las aplicaciones compartan la red
 CQ fue diseñado para permitir que varias aplicaciones
compartieran la red, y que además tuvieran asignado un
ancho de banda mínimo garantizado, y unas garantías
aceptables en cuanto a los retrasos.
• El ancho de banda se reparte equitativamente.
 En este método el acho de banda debe de ser compartido
proporcionalmente entre las aplicaciones o usuarios en
forma de Round Robin o quantos de tiempo, sin dejar
tráfico fuera de servicio.
40
 No dá garantías estrictas.
Esquema gráfico (CQ)
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Mecanismos de cola
QoS
• First-in First-out (FIFO)
• Priority Queuing(PQ)
• Custom Queuing (CQ)
• Weighted Fair Queueing (WFQ)
y otros
Weighted fair queuing (WFQ)
• WFQ es adaptativo a los cambios en la red
 Los mecanismos vistos anteriormente son estáticos, y por
lo tanto no se adaptan a los cambios producidos en la red.
Por ello ha sido necesario un mecanismo como WFQ, que
es adaptativo.
 No dá garantías totales como PQ.
• Proporciona un buen tiempo de respuesta
 WFQ es adecuado para situaciones donde se necesite un
buen tiempo de respuesta, para usuarios que hagan tanto
un uso elevado de la red, tanto como para los que hagan un
uso más leve, sin añadir ancho de banda adicional.
 Cisco lo utiliza por defecto en enlaces inferiores a T1 (1,5
Mbps)
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Weighted fair queuing (WFQ)
• WFQ es un algoritmo basado en flujos.
 WFQ es un algoritmo de cola basado en flujos (o
sesiones), que realiza dos tareas simultáneamente y de
forma automática:
 Organiza el tráfico (de tiempo real), poniéndolo al principio
de la cola, reduciendo así el tiempo de respuesta.
 Comparte equitativamente el resto del ancho de banda, entre el
resto de tráfico de alta prioridad
 WFQ asegura que las diferentes colas no se queden privadas de
un mínimo ancho de banda, de modo que el servicio
proporcionado al tráfico es más predecible.
 Considera flujos de poco caudal con flujos sensibles al retardo,
por ej. VOIP
 No es escalable dentro de una gran red.
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Esquema gráfico (WFQ)
45
Funcionamiento de CBWFQ
La falta de escalabilidade WFQ se soluciona con Class Based WFQ.
Estructura interna del interface de salida
∑ Bwi < 75%
Los paquetes llegan clasificados, ya no tenemos
en cuenta los flujos independientes, solo la clase.
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Definición de clases
Las clases utilizadas en CBWFQ pueden asociarse a:
•
•
•
•
Flujos (direcciones origen-destino, protocolo, puertos)
Prioridades (campo DS differentiated service, otras etiquetas)
Interfaces de entrada/salida
VLAN
Estas clases se implementan filtrando el tráfico con
filtros en los routers.
Este proceso se llama clasificación de tráfico, que
puede ir acompañado a su vez con proceso de
marcado de paquetes.
El servicio recibido en función de esta clasificación
se asocia a la política de servicio.
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Low Latency Queue
LLQ se comporta como una Priority Queue.
V: voice
• LLQ es recomendable para tráfico multimedia (VoIP) que requiere de unas
características muy especiales: bajo retardo y jitter.
• Se puede configurar junto al resto de colas CBWFQ como una cola más asociada
a una clase determinada.
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Sumario
•
•
•
•
QoS y flujos: definición
Modelos de servicio
Modelo de colas
Modelos de fragmentación y descarte
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Mecanismos de fragmentación y
descarte
• LFI (Link Fragment and Interleaving)
• Descarte selectivo de paquetes
Fragmentación e Inserción (LFI)
Link Fragment and Interleaving
• Problema:
Llegada de un paquete IP a su cola de
prioridad(estando esta vacía) mientras está saliendo de router en ese
momento otro paquete perteneciente a otra clase  retardo.
El producido por un paquete con tamaño de MTU de 1500 bytes en
una línea de 64 Kbps puede llegar:
Retraso = ( 1500 bytes * 8 bits/byte) / 64.000 bps) = 187.5 ms
• Solución: Troceamos los paquetes de datos en ‘chunks’ de 10ms,
es decir, que el tamaño de un paquete será igual al máximo flujo de
información que se pueda enviar por la línea en 10 ms. Los paquete de
VoIP deberán ser insertados entre estos paquetes, asegurando un
retraso mucho menor. Los paquetes VoIP no deben fragmentarse !!
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Ejemplo de uso de LFI
Antes
60-bytes Voz
1500-bytes Trama de datos
Retraso producido = 187.5 ms
(Frame = 1500byte a 64 Kbps)
Usando LFI
Datos
Datos
Voz
Datos
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Esquema gráfico LFI
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Mecanismos de fragmentación y
descarte
• LFI (Link Fragment and Interleaving)
• Descarte selectivo de paquetes
Congestión: RED & WRED
• Cuando simultáneamente, muchas conexiones TCP son cortadas por
congestión, directamente reducen su caudal abruptamente, con lo cual
desaparece la congestión. A continuación todas las conexiones aumentan su
caudal de forma exponencial al comprobar que la congestión ha desaparecido,
con lo cual, al poco rato la situación de congestión vuelve a producirse,
además de producir un fenómeno oscilante.
• Solución: descartar paquetes sólo de una conexión, que viole los caudales
preestablecidos y dejar intacta las demás.
• Existen mecanismo para el tratamiento de la congestión de la red que son
beneficiosos.
• Entre estos se encuentran: RED (Random Early Detection) y WRED
(Weighted Random Early Detection) y DWRED (Distributed WRED).
• Estos mecanismo evitan la congestión de la red y la probabilidad de pérdida.
• En caso de producirse una fuerte congestión pueden ser capaces de realizar el
descartes de paquetes oportunos, es decir, no realizando un descarte paquete
al azar, lo cual podría producir por ejemplo, la eliminación de un paquete
clave que produjera la reacción del algoritmo slow-start de TCP.
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RED (Random Early Detection)
• Provee a los operadores de la red, la posibilidad de aplicar normas para
el manejo del tráfico y maximizar el throughput bajo condiciones de
congestión.
• Trabaja junto a protocolos a nivel de transporte como TCP, evitando la
congestión a aplicando una serie de algoritmos:
 Distingue entre ráfagas de tráfico temporal que pueden ser absorbidas por
la red, y cargas excesivas de tráfico que pueden saturar la red.
 Trabaja en cooperación con el extremo generador de tráfico, para evitar la
oscilación producida por el protocolo TCP, que puede causar ondas de
congestión en la red.
 RED trabaja con TCP, para anticiparse y manejar la congestión en
momentos de tráfico excesivo, para maximizar el througput mediante el
descarte de paquetes.
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WRED (Weigted Random Early
Detection)
• Combina las capacidades de RED y de IP Precedence, para
poveer diferentes clases de servicio en función de las
características de la información.
• WRED también proporciona manejadores para tráfico
prioritario en momentos de congestión.
• Además posee todas las capacidades anteriormente citadas
para RED.
• WRED también puede colaborar con RSVP,
proporcionando un controlador de carga, o indicando si es
factible una reserva de espacio en alguna cola.
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Esquema gráfico WRED
58
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Calidad de servicio