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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 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 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 14 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 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 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 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 27 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 35 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 36 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 46 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 47 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 49 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