[Acercándose al NE (6)] Las aventuras de un paquete en routers Huawei - Conceptos básicos de QoS (2)

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Gestión de la congestión (hacer cola)

Además de sus características de clasificación y marcado de tráfico, DiffServ tiene un mecanismo de puesta en cola. Cuando se produce una congestión en la red en un dispositivo, el dispositi****lmacena paquetes en colas y envía los paquetes desde esas colas cuando se alivia la congestión de la red. Si bien las colas en la vida cotidiana son un inconveniente, el mecanismo de colas en DiffServ es altamente eficiente, ya que cada interfaz en un router Huawei posee ocho colas, una situación comparable a tener ocho ventanas de registro en un hospital.

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Programación de algoritmos

First In First Out (FIFO) permite que los paquetes que vienen antes ingresen primero a la cola. Sin embargo, una interfaz de router puede procesar solo una de las ocho colas a la vez. El algoritmo de planificación determina qué cola procesará primero la interfaz.

La Prioridad estricta (SP) programa los paquetes según las prioridades de la cola. Los paquetes en colas de baja prioridad pueden programarse solo después de que todos los paquetes en colas de alta prioridad hayan sido programados. Para evitar que se descuiden las colas de baja prioridad, la limitación de velocidad generalmente se implementa para las colas de alta prioridad.

Round Robin (RR) programa múltiples colas en el modo de timbre. Si la cola en la que se realiza RR no está vacía, el programador envía un paquete fuera de la cola. Si la cola está vacía, simplemente se omite. Debido a esto, puede pasar mucho tiempo antes de poder programar colas de alta prioridad. Para solucionar este problema, los diseñadores introdujeron Weighted Fair Queuing (WFQ). Por ejemplo, digamos que hay tres colas no VIP con una tasa de peso de 5: 3: 1. El programador enviará cinco paquetes de la cola con un valor de peso de 5 a la vez, tres con un valor de peso de 3 y uno con un valor de peso de 1.

Se han formulado numerosos algoritmos de programación no descritos en este documento para el mecanismo de puesta en cola. Por esta razón, el mecanismo de colas es más eficiente que el proceso de registro en un hospital.

Evitar la congestión (política de caída)

En la vida cotidiana, los médicos no ven más pacientes después de que el número de pacientes registrados alcanza un umbral máximo, por ejemplo, 200 registros o fuera de las horas normales de trabajo que se extienden de 7 a.m. a 11 a.m. y de 2 p.m. a las 4 p.m .. De manera similar, en un router, cuando la congestión del tráfico se intensifica y las colas en las que los paquetes del búfer están casi llenos, el router utilizará una política de eliminación para contrarrestar los efectos de la congestión.

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Actualmente existen dos políticas de eliminación: caída de cola y detección temprana aleatoria ponderada (WRED). La caída de cola es el mecanismo tradicional para evitar la congestión que se usa para eliminar todos los paquetes recién llegados cuando se produce la congestión. Con los mecanismos de caída de cola, todos los paquetes recién llegados se eliminan cuando se produce una congestión, lo que hace que todas las sesiones del Protocolo de Control de Transmisión (TCP) ingresen simultáneamente al estado de inicio lento y que la transmisión de paquetes se haga más lenta. Luego, todas las sesiones TCP reinician su transmisión aproximadamente al mismo tiempo y, cuando vuelve a producirse la congestión, se dispara otra ráfaga de paquetes que caen, por lo que todas las sesiones TCP entran en el estado de inicio lento una vez más. Este ciclo se repite una y otra vez. Este fenómeno se llama sincronización global TCP. En resumen, la caída de cola no es la solución óptima para TCP o User Datagram Protocol (UDP).

Para servir mejor a TCP y UDP, se usa WRED. WRED establece dos líneas para cada cola, como se muestra en la siguiente figura.

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Cuando la longitud de una cola es inferior al umbral marcado por la línea amarilla, no se eliminan paquetes. Cuando la longitud de una cola supera el umbral marcado por la línea amarilla, los paquetes recién llegados se eliminan aleatoriamente a una velocidad que aumenta con la longitud de la cola. Cuando la longitud de una cola supera el umbral marcado por la línea roja, se eliminan todos los paquetes recién llegados.

La caída de cola se aplica a las colas SP para servicios que tienen altas demandas de rendimiento en tiempo real. La caída de cola descarta paquetes solo cuando la cola se desborda y, por lo tanto, proporciona el mayor ancho de banda para servicios en tiempo real cuando se produce una congestión de tráfico. WRED se aplica generalmente a las colas WFQ. Las colas de WFQ comparten el ancho de banda según el peso y son propensas a la congestión del tráfico. El uso de las colas WRED para WFQ resuelve efectivamente la sincronización global de TCP cuando se produce una congestión de tráfico.

Algunos usuarios, sin embargo, todavía pueden sentirse tratados injustamente, por ejemplo, digamos que Jerry y Tom están navegando por la red. Jerry envía paquetes a una velocidad de 2 Mbit/s, y Tom envía paquetes a una velocidad de 200 Mbit/s. Si se produce una congestión de tráfico, Jerry cree que los paquetes de Tom deberían haberse caído primero, ya que Tom envía más paquetes y, por lo tanto, contribuye más a la congestión del tráfico. Para resolver esto, los diseñadores introdujeron la prioridad de caída. El IETF define tres tipos de precedencia de descarte: rojo, amarillo y verde, que indica el orden en que los paquetes almacenados en colas se eliminan durante la congestión del tráfico. En el caso de que Jerry y Tom naveguen por la red a velocidades de 2 Mbit/s y 200 Mbit/s respectivamente, puede establecer un límite superior de 100 Mbit/s. Si Tom envía paquetes a una velocidad inferior a 100 Mbit / s, los paquetes de Tom serán de color verde y, por lo tanto, no se eliminarán. Si Jerry envía paquetes a una velocidad superior a 100 Mbit / s, los paquetes en exceso de Jerry se colorearán de rojo y, por lo tanto, se eliminarán de manera preferencial.

Limitación de tarifas (CAR y tráfico shapping)

La limitación de velocidad es uno de los mecanismos de QoS más importantes. La limitación de velocidad restringe la velocidad a la que se envían paquetes hacia o desde un router.

Tanto la CAR como la configuración del tráfico se utilizan para limitar la tasa de tráfico.

CAR

En primer lugar, CAR se utiliza para controlar la velocidad del tráfico cuando ingresa a la red.

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·         Sin exceso de velocidad, tarjeta verde, funcionamiento ininterrumpido (reenviado).

·         Aceleración leve, tarjeta amarilla, degradada (reenviada después de volver a marcarla).

·         Aceleración severa, tarjeta roja, prohibido pasar (tirada).

Entonces, los autos pasan a la luz verde, esperan en la luz amarilla y se detienen en la luz roja.

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CAR se parece a CUT, lo que indica que cortamos los paquetes que no cumplen con nuestras especificaciones.

¿Cómo juzgamos qué paquetes están acelerando? La respuesta es, utilizando un token bucket.

Token bucket

¿Qué es un token bucket? Como su nombre lo indica, un token bucket es un contenedor que se utiliza para almacenar tokens.

¿Cómo un cubo de fichas mide la tasa de tráfico? Hay tres mecanismos diferentes de token bucket:

·         Tarifa única de un solo cubo

·         Tarifa única dos cubos

·         Dos tarifas de dos cubos.

Con un grupo único de tarifa única, los tokens se colocan en el grupo de fichas a la velocidad de información confirmada (CIR).

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Con los mecanismos de token bucket, los paquetes solo se pueden reenviar cuando se han asignado suficientes tokens, como a un automóvil que se le entrega una tarjeta de pase cuando pasa a través de un peaje.

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Como una analogía, piense en un peaje no tripulado que utiliza una máquina de tarjeta para cobrar el peaje. Un cubo, llamado cubo C, se coloca debajo de la máquina de tarjetas, y la máquina de tarjetas coloca las tarjetas en el cubo C a una tasa fija. En esta analogía, estas tarjetas representan tokens, y los conductores toman una tarjeta en su camino a través del peaje.

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Para mantener una distancia de 100 metros entre los autos, la máquina de tarjetas proporciona tarjetas de pase a intervalos de 3,6 segundos.

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Si un promedio de más de un automóvil llega a la puerta de peaje cada 3.6 segundos, las tarjetas de pase en el cubo C se agotan rápidamente, lo que genera una luz roja. Como resultado, a los autos posteriores se les niega el acceso a la autopista. Así es como se implementa el límite de velocidad.

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Si un promedio de menos de un automóvil llega al peaje cada 3.6 segundos, las tarjetas se acumularán en el cubo C.

Si las tarjetas de pase se acumulan, un carro muy largo (posiblemente cientos de metros de largo) podrá pasar a través del peaje.

Como regla general, se requiere una tarjeta de pase por cada 100 metros de longitud del automóvil porque a lo sumo se permite un automóvil cada 100 metros. Por lo tanto, un automóvil muy largo, de cientos de metros de largo, es igual a varios autos de longitud más corta.

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Supongamos que un coche de 600 metros llega a la puerta de peaje. Si solo quedan cinco tarjetas de pase en el cubo C, el auto no puede pasar hasta que la sexta tarjeta se coloque en el cubo C.

Entonces, ¿cuál es la longitud máxima de un automóvil que puede pasar por el peaje? Depende de la cantidad de fichas que el depósito C pueda almacenar. La capacidad del depósito C se denomina tamaño de ráfaga confirmada (CBS).

¿Qué pasa si la máquina de tarjetas sigue proporcionando tarjetas de pase pero no llegan autos? ¿Se desperdician las cartas cuando el cubo se desborda? ¡Sí! Esa es una deficiencia del mecanismo de un solo cubo de tarifa única. Para evitar que las tarjetas se desperdicien, se desarrolló una tarifa única de dos cubos.

Ahora, con una tarifa única de dos categorías, supongamos que se utilizan dos categorías, C y E, para almacenar tarjetas de pase. La máquina de tarjetas primero suelta las tarjetas pasadas en el cubo C. Cuando el cubo C se llena, las tarjetas que se desbordan caen en el cubo E.

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Como regla general, las tarjetas del grupo C se proporcionan preferentemente para los conductores. Es decir, las tarjetas del cubo E solo se distribuyen una vez que las tarjetas del cubo C no son suficientes para que pase un automóvil. En este caso, un conductor debe devolver la cantidad insuficiente de tarjetas al compartimiento C antes de recoger el número requerido de tarjetas del compartimiento E. No está permitido que el conductor retire las tarjetas de ambos compartimientos.

·         Si el número de tarjetas en el cubo C es suficiente, se enciende la luz verde, se permite que pase el auto y no se deducen puntos del crédito del conductor.

·         Si la cantidad de tarjetas en el grupo E es suficiente, pero la cantidad de tarjetas en el grupo C no lo es, la luz amarilla está encendida y se deduce un punto del crédito del conductor.

·         Si ni el cubo C ni E tienen suficientes tarjetas, la luz roja está encendida y se deducen 12 puntos del crédito del conductor. Además, el automóvil no puede pasar y el conductor debe devolver todas las tarjetas.

Cuando llega un automóvil, el conductor recoge las tarjetas de pase del cubo C primero. Si el número de tarjetas en el cubo C no es suficiente para que pase un automóvil, el conductor devuelve las tarjetas al cubo C y recoge el número requerido de tarjetas del cubo E. Recuerde: se requiere una tarjeta por cada 100 metros de longitud del coche.

¿Es la capacidad de la cubeta E igual a la capacidad de la cubeta C? No necesariamente. La capacidad del depósito E se denomina Tamaño de ráfaga extendido (EBS) y se puede establecer en un número diferente al de la CBS.

De hecho, la capacidad del cucharón E no puede ser demasiado grande. Si la capacidad del cucharón E es demasiado grande, se puede permitir que pase un automóvil demasiado largo, lo que aumenta el riesgo de accidentes de acumulación.

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La CBS tampoco puede ser demasiado grande. De lo contrario, tenemos el mismo problema. Se puede permitir que pase un automóvil demasiado largo, lo que nuevamente aumenta el riesgo de accidentes de acumulación. En términos de paquetes de red y tokens, si el CBS se establece muy grande, los paquetes no se encontrarán con un "accidente de pila". Sin embargo, si el CBS se configura demasiado grande, el límite de velocidad no tendrá efecto. Por ejemplo, digamos que se requiere que la tasa de tráfico sea inferior a 100 bit / s. Si el CBS se establece en 3600 MB y varios paquetes llegan dentro de una hora y consumen todos esos tokens, la tasa de tráfico dentro de la hora alcanza hasta 1 Mbit / s (8000000 bit / s), superando ampliamente los 100 bit / s previstos.

Sin embargo, el CBS no puede ser demasiado pequeño. Por ejemplo, digamos que se requiere de nuevo que la tasa de tráfico sea inferior a 100 bit / s. Si el CBS se establece en 1000 bytes y varios paquetes de más de 1000 bytes llegan en una hora, ningún paquete podrá obtener suficientes tokens. Como resultado, todos los paquetes se eliminan y la tasa de tráfico dentro de la hora se reduce a 0 en lugar de los 100 bit / s previstos.

Entonces, si el CBS no puede ser demasiado grande o demasiado pequeño, ¿cómo podemos determinar el CBS óptimo? Primero, el CBS no puede ser más pequeño que la unidad de transmisión máxima (MTU). Segundo, el CBS no puede ser más pequeño que el volumen de tráfico de ráfaga en la red en vivo. Dado que es difícil determinar el volumen de tráfico en la red en vivo, los ingenieros de Huawei han desarrollado una fórmula para ayudarnos a estimarlo.

Fórmula:

Si el CIR ≤ 100 Mbit / s, CBS (bytes) = CIR (kbit / s) x 1.5 (s) / 8

Si el CIR> 100 Mbit / s, CBS (bytes) = 100,000 (kbit / s) x 1.5 (s) / 8

¿Cómo configurar el CIR? El CIR es igual al ancho de banda comprado por los suscriptores. Los Acuerdos de Nivel de Servicio (SLA) firmados entre operadores y suscriptores definen el CIR, junto con otros parámetros como CBS, PIR y PBS.

 NOTA:

El SLA define los servicios que el ISP se compromete a proporcionar a los suscriptores.

¿Qué son PIR y PBS? PIR y PBS se utilizan en dos tipos de dos cubos.

Con dos tarifas de dos categorías, la máquina de tarjetas coloca las tarjetas en dos categorías, las categorías C y P, a las velocidades de CIR y Velocidad de Información Pico (PIR), respectivamente. Las tarjetas que se colocan en el cubo C son tarjetas de pase, y las que se colocan en el cubo P se denominan "tarjetas de recuerdo".

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Como regla general, las tarjetas de recuerdo se proporcionan preferentemente para los conductores.

Si el número de tarjetas de recuerdo es insuficiente para que el automóvil pase, el conductor las devuelve al cubo P. En este caso, la luz roja está encendida, el automóvil no puede pasar y el conductor recibe una multa de 1000 dólares.

Si el número de tarjetas de recuerdo en el cubo P es suficiente, el conductor puede recoger las tarjetas de pase necesarias del cubo C. Si el número de tarjetas de pase en el cubo C es suficiente, la luz verde está encendida, el auto tiene permiso para pasar, y el conductor puede irse con las tarjetas de recuerdo y las tarjetas de pase.

Si las tarjetas de pase en el cubo C son insuficientes, la luz amarilla está encendida y se deduce un punto del crédito del conductor. El conductor también debe devolver las tarjetas de pase, pero se le permite guardar las tarjetas de recuerdo.

Hay un resumen rápido de los dos mecanismos, dos tarifas de dos categorías y una única tarifa de dos categorías:

Item

Dos tarifas dos    cubos

Una sola tarifa un solo cubo

Bucket order

Cubo P seguido de cubo C

Cubo C seguido de cubo E

Green light

Recoge los tokens de ambos cubos.

Recoge los tokens solo del cubo C

Yellow light

Recoge los tokens solo del cubo P

Recoge los tokens solo del cubo E

Red light

No recoge tokens

No recoge tokens

 

Dos tarifas dos cubos comprueban no solo si se produce un evento de exceso de velocidad, sino también si ese evento de exceso de velocidad ha infringido la ley. La velocidad a la que la máquina de tarjetas coloca las tarjetas en el cubo P se correlaciona con la velocidad máxima permitida por la ley.

¿Se permite que los automóviles demasiado largos pasen cuando se usan dos tipos de dos cubos? Sí. El tamaño máximo de ráfaga (PBS) funciona de la misma manera que el EBS. Pero como se usa el cubo P, el cubo E es innecesario.

¿Cuándo debemos usar CAR? CAR se implementa generalmente en el ingreso de la red, como un peaje en una entrada de autopista. ¿Te imaginas cómo sería una carretera sin un peaje desplegado en la entrada? ¡Se vería más como un "slowway" o incluso un "noway"!

Sin embargo, todavía hay muchas opciones. ¿Cuándo usamos cada uno de los tres mecanismos de token bucket?

Para restringir la tasa de tráfico, utilizamos una sola tasa de cubo único.

Para restringir la tasa de tráfico y distinguir los volúmenes de tráfico de ráfagas que no se ajustan a nuestras especificaciones, utilizamos dos categorías de tasa única.

Para restringir la tasa de tráfico, distinga los volúmenes de tráfico de ráfagas que no se ajustan a nuestras especificaciones e identifique si el ancho de banda excede nuestras especificaciones, utilizamos dos cubos de dos tasas.

Conformación de tráfico

Tanto la CAR como la configuración del tráfico utilizan el token bucket para medir la tasa de tráfico, pero difieren en términos de procesamiento de paquetes. La conformación del tráfico se implementa en función del mecanismo de cola, por lo que amortigua el exceso de paquetes en colas y los envía fuera de las colas solo cuando se ha aliviado la congestión de tráfico. CAR no se implementa según el mecanismo de cola y simplemente elimina los paquetes en exceso sin almacenarlos en búfer.

 NOTA:

La clasificación de tráfico (clasificación de BA y MF), la limitación de velocidad (CAR y la configuración del tráfico), la gestión de congestión (encolado) y la prevención de congestión (política de caída) constituyen los cuatro componentes de QoS. El capítulo 5 describe cómo estos componentes procesan el tráfico.


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