Proyecto Fin de Carrera ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIÓN UNIVERSIDAD DE MÁLAGA Desarrollo de un Nodo Encaminador para Filtrado y Simulación de.
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Transcript Proyecto Fin de Carrera ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIÓN UNIVERSIDAD DE MÁLAGA Desarrollo de un Nodo Encaminador para Filtrado y Simulación de.
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
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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
12
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
15
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
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Diagrama de bloques
18
Módulo de Servicios Diferenciados
Implementación de elementos basada en la RFC 3290:
“Modelo Informal de Gestión para Routers DiffServ”
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Clasificador
Tráfico de entradaPerfil de ClienteGestor 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
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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
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Sistema de Colas de Salida
3 Sesiones: EF, AF y Best Effort
Sesión
• Cola FIFO
• Mecanismos de gestión y planificación
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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
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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
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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
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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
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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
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