Qualité de Services sur Internet - perso.u-pem.frperso.u-pem.fr/present/supports/pdfSTIC/QoS.pdf · les stratégies de QoS basées sur l'utilisateur ou l'ordinateur et les appliquer

Qualité de Services sur Internet

Dominique PRESENT

I.U.T. de Marne la Vallée

IUT de Marne la Vallée Qualité de Services sur Internet © D. PRESENT

La QoS : pour quelles applications ?• Les besoins applicatifs :

– les applications interactives ont des exigences strictes ;– les applications voix nécessitent, quant à elles, des caractéristiques

réseaux très précises (environ 8 Kb/s avec un bon algorithme de compression et un délai de traversée du réseau inférieur à 250 ms) Une vision résumée des caractéristiques techniques de la QOS consiste à ne retenir dans un premier temps que les deux paramètres ci-après :

• le besoin en bande passante : – débit constant (mode stream), majoritairement utilisé par les applications

audio/vidéo et par les applications interactives– débit immédiat (mode burst), privilégié par les applications de type

transfert de fichiers. • le délai de traversée du réseau :

– les besoins seront variables, des applications n’ayant pas de contraintes de délais (transfert de fichiers, messagerie électronique, etc …) aux applications à forte contrainte temporelle telles que la voix. Il appartient alors au réseau de rendre prioritaires les flux de certaines applications sensibles.


De l’application au réseau

IPExiste-t-il un

chemin spécifique ?

TCP

application Comment différencier les données prioritaires ?

Carte réseau

Y a-t-il des priorités sur le réseau ?

IP

TCP

application

Carte réseau

• les applications doivent être compatibles ;• l’OS doit être paramétré ;• le réseau doit autoriser la QoS.


De l’application au réseau

IP

TCP

application

Carte réseau

IP

TCP

application

Carte réseau

Qualité sur la transmission

Qualité sur les flux de données

Qualité sur le service

QoS sur LAN (802.1p)

QoS sur réseau d’opérateur(gestion du débit, du délai de traversée,…)


La QoS dans l’OS nécessite le marquage

Carte réseau

netBios

applicationapplicationapplication

IP

TCP

Application1

• les données doivent être marquées par le système d’exploitation en utilisant des classes de priorité différente ;•Le système d’exploitation doit disposer de files d’attente différenciées pour le traitement des données suivant leur classe de priorité.

11

21

122

11211

Marquage des données (classe)

Files d’attentes différenciées par

classe

OS


la QoS et les protocoles de réseaux locaux

• Pour Ethernet, le marquage IEEE 802.1p assure une hiérarchisation de traitement des paquets à l’entrée de l’interface réseau.

• Pour IEEE 802.11 sans fil, la certification Wi-Fi Alliance pour Wi-FiMultimédia (WMM) définit quatre catégories d'accès pour la hiérarchisation du trafic réseau.

• Pour les routeurs d'entreprise modernes la prise en charge de ladifférenciation de trafic DSCP qu’il faut activer. Un point d’accès sans fil compatible WMM lit la valeur DSCP et contrôle le trafic en fonction de sa catégorie d'accès.

• Pour Internet : – les services peuvent être différenciés en précisant la valeur DSCP

(Differentiated Services Code Point) dans l'en-tête IP. – le protocole RSVP permet de réserver de la bande passante sur un

réseau jusqu'à un point final.


la QoS et les protocoles de réseaux locaux

• Pour Ethernet, le marquage IEEE 802.1p assure une hiérarchisation de traitement des paquets à l’entrée de l’interface réseau. Généralement, la prise en charge 802.1p peut s'activer depuis l'onglet Avancé des propriétés des pilotes de carte réseau. La prise en charge 802.1p doit également être activée sur les commutateurs Ethernet.

• Pour IEEE 802.11 sans fil, la certification Wi-Fi Alliance pour Wi-Fi Multimédia (WMM) définit quatre catégories d'accès pour la hiérarchisation du trafic réseau. La prise en charge de la définition des priorités WMM nécessite que les adaptateurs réseau et leurs pilotes prennent en charge le WMM. Le WMM doit être activé sur les points d'accès sans fil (AP).

• Pour les routeurs d'entreprise modernes la prise en charge de la différenciation de trafic DSCP est généralement désactivée par défaut. La spécification WMM définit la façon dont les catégories d'accès WMM les catégories d'accès sont associées aux valeurs DSCP. Un point d’accès sans fil compatible WMM lit la valeur DSCP et contrôle le trafic en fonction de sa catégorie d'accès.

• Pour Internet, – les services peuvent être différenciés en précisant la valeur DSCP (Differentiated

Services Code Point) dans l'en-tête IP. Comme défini dans le RFC 2472, la valeur DSCP est le nombre 6 bits d'ordre haut du champ Type de service d'IP version 4 (IPv4) et du champ Classe de trafic d'IP version 6 (IPv6).

– le protocole RSVP permet de réserver de la bande passante sur un réseau jusqu'à un point final.


Qualité de service (QoS) dans Windows XP

• Windows XP et Windows Server 2003 fournissent des API permettant d'attribuer des paramètres de QoS au trafic (Windows Socket (Winsock) et QoS générique (GQoS)).

• Les administrateurs réseau peuvent utiliser les outils de gestion du trafic écrits pour appeler l'API de contrôle du trafic (TC) afin d'appliquer des paramètres de qualité de service au niveau de l'hôte :– option de socket IP_TOS pour déterminer la valeur DSCP des paquets sortants

pour un socket– Les API GQoS autorisent une application à déterminer une valeur DSCP et à

limiter son trafic sortant (GQoS fait partie de Windows Sockets 2.0 -Winsock2).

– L'API TC permet un contrôle direct sur les valeurs DSCP, les étiquettes 802.1p et le taux de limitation. Les administrateurs réseau peuvent utiliser les programmes de gestion de trafic pour invoquer directement l'API TC pour le compte d'applications qui ne reconnaissent pas QoS.

• Pour que la prise en charge de qualité de service (QoS) soit effective, le composant Planificateur de paquets QoS doit être installé et activé


Qualité de service (QoS) dans Windows XP

• Windows XP et Windows Server 2003 fournissent des API permettant d'attribuer des paramètres de QoS au trafic. Les développeurs d'applications peuvent utiliser des API Windows Socket (Winsock) et de QoS générique (GQoS) pour appliquer les paramètres de QoS au niveau de l'application pour chaque socket). Les administrateurs réseau peuvent utiliser les outils de gestion du trafic écrits pour appeler l'API de contrôle du trafic (TC) afin d'appliquer des paramètres de qualité de service au niveau de l'hôte :

– option de socket IP_TOS pour déterminer la valeur DSCP des paquets sortants pour un socket

– Les API GQoS autorisent une application à déterminer une valeur DSCP et à limiter son trafic sortant (GQoS fait partie de Windows Sockets 2.0 - Winsock2).

– L'API TC permet un contrôle direct sur les valeurs DSCP, les étiquettes 802.1p et le taux de limitation. Les administrateurs réseau peuvent utiliser les programmes de gestion de trafic pour invoquer directement l'API TC pour le compte d'applications qui ne reconnaissent pas QoS.

• Pour que la fonctionnalité de qualité de service (QoS) soit prise en charge par les ordinateurs exécutant Windows XP et Windows Server 2003, le composant Planificateur de paquets QoSdoit être installé et activé depuis les propriétés des connexions réseau dans le dossier Connexions Réseau (voir la figure 2). Le composant Planificateur de paquets QoS(lPsched.sys) est installé et activé par défaut sur les ordinateurs exécutant Windows XP. Le composant Planificateur de paquets peut être installé sur Windows Server 2003.


Le planificateur de paquets de XPLe planificateur de paquets de XP

Sur Windows XP, le planificateur de paquets n’est pas paramétrable par l’interface utilisateur. Il faut passer par des API.


QoS dans Windows Vista et Server «Longhorn»

• Une qualité de service basée sur :– les stratégies pour déterminer les valeurs DSCP ;– Windows Vista et Windows Server « Longhorn » prennent en charge la

nouvelle API QoS2, également connue sous le nom de qWAVE (QualityWindows Audio-Video Experience).

• La bande passante du réseau peut être gérée de façon centralisée. • Les paramètres de qualité de service basée sur les stratégies permettent de

hiérarchiser ou de gérer le taux d'expédition pour le trafic sortant en fonction des conditions suivantes : – L'application qui envoie (chemin d'accès et nom de l'exécutable)– Les adresses IPv4 ou IPv6 source ou de destination ou les préfixes

d'adresse – Le protocole (lTCP, UDP ou les deux) – Les ports sources ou de destination ou les étendues de ports (TCP ou

UDP)


QoS dans Windows Vista et Server «Longhorn»

• Une qualité de service basée sur :– les stratégies pour déterminer les valeurs DSCP ;– Le contrôle des taux d'expédition des applications sans devoir utiliser d'API ni modifier

d'application existante. Windows Vista et Windows Server « Longhorn » prennent en charge la nouvelle API QoS2, également connue sous le nom de qWAVE (QualityWindows Audio-Video Experience).

• La qualité de service (QoS) basée sur les stratégies permet le contrôle des coûts de la bande passante, ou la négociation de meilleurs niveaux de service avec les fournisseurs de bande passante ou les services d'exploitation. La bande passante du réseau peut être gérée de façon centralisée.

• Les paramètres de qualité de service basée sur les stratégies permettent de hiérarchiser ou de gérer le taux d'expédition pour le trafic sortant en fonction des conditions suivantes :

– L'application qui envoie (chemin d'accès et nom de l'exécutable)– Les adresses IPv4 ou IPv6 source ou de destination ou les préfixes d'adresse – Le protocole (lTCP, UDP ou les deux) – Les ports sources ou de destination ou les étendues de ports (TCP ou UDP)

• La qualité de service (QoS) basée sur les stratégies permet :– de définir la priorité du trafic ;– De configurer une stratégie de QoS pour marquer le trafic IPv4 ou IPv6 sortant avec une

valeur DSCP spécifique ;– gérer l'utilisation de la bande passante pour le trafic sortant ;– configurer une stratégie de QoS pour appliquer un taux de limitation au trafic sortant.

Grâce à la limitation, les composants de QoS limitent le trafic réseau sortant agrégé à un taux spécifié.


Le planificateur de paquets

• Windows Vista ou Windows Server « Longhorn » téléchargent et appliquent leurs paramètres de QoS basée sur les stratégies lorsqu'ils mettent à jour leur configuration utilisateur ou leur stratégie de groupe de configuration de l'ordinateur.

• Dans Windows Vista, la fonctionnalité qWAVE prend simultanément en charge plusieurs flux AV (flux en temps réel nécessitant QoS) et flux de données (flux de type Meilleur effort tels que le courrier électronique ou les transferts de fichiers).

• L'ensemble de technologies qWave détecte et contrôle la bande passante sur le réseau local, détermine la capacité QoS du réseau et assure un contrôle d'admission distribué. Ces technologies permettent l'utilisation des techniques de diffusion AV en flux continu pour que les applications puissent s'adapter dynamiquement à l'évolution des conditions du réseau.


Le planificateur de paquets• Pour déployer une qualité de service basée sur les stratégies sur un intranet, configurer

les stratégies de QoS basées sur l'utilisateur ou l'ordinateur et les appliquer au conteneur Active Directory approprié. Les ordinateurs Windows Vista ou Windows Server « Longhorn » téléchargent et appliquent leurs paramètres de QoS basée sur les stratégies lorsqu'ils mettent à jour leur configuration utilisateur ou leur stratégie de groupe de configuration de l'ordinateur.

• Du fait que les réseaux sont de plus en plus souvent partagés par les applications de données et les applications audio/vidéo (AV), il convient d'implémenter une solution de QoS pour pouvoir assurer un traitement préférentiel au trafic AV avec période de validité par rapport au trafic de données. En outre, les réseaux sont de plus en plus souvent sans fil, ce qui ajoute des complications pour les applications sensibles à la latence et à la bande passante.

• Dans Windows Vista, la fonctionnalité qWAVE est intégrée au sous-système QoS. Elle prend simultanément en charge plusieurs flux AV (flux en temps réel nécessitant QoS) et flux de données (flux de type Meilleur effort tels que le courrier électronique ou les transferts de fichiers).

• L'ensemble de technologies qWave détecte et contrôle la bande passante sur le réseau local, détermine la capacité QoS du réseau et assure un contrôle d'admission distribué. Ces technologies permettent l'utilisation des techniques de diffusion AV en flux continu pour que les applications puissent s'adapter dynamiquement à l'évolution des conditions du réseau.


La QoS sous Linux : le filtrage des paquets

• La QoS nécessite des gestionnaires de files et un filtrage des paquets(disponibles avec la version 2.4.18 ou ultérieure du noyau) :– Les gestionnaires de files d’attente les plus utilisés :

• CBQ (Class Based Queueing) basés sur le``idle time'' (temps entre le désempilage de deux paquets) du lien et sa bande passante ;

• HTB (Hierarchy Token Bucket) utilise le mode « burst » (version 2.4.19 de Linux) ;

• PRIO peut spécifier un ``mapping'' par défaut entre le champ ToS des paquets et les classes. Ce gestionnaire est particulièrement efficace pour améliorer l'interactivité des services commes ssh ou telnet meme lorsque le lien est saturé.

– IProute2 est une suite d'utilitaires :• ``ip'' permet d'effectuer des configurations complexes de

routage ;• ``tc'' permet de sélectionner des types de paquets ipet les

envoyer vers différents types de files d’attente ;


La QoS : des performances garanties • La Qualité de Services (Quality of Services) garantie des performances dans la

transmission des données sur les réseaux :– Les composants liés à la QOS comprennent :

• La disponibilité du service rendu ; • La bande passantedisponible ;• Le délai de traversée du réseau ou latence ;• La variation de ce délai ou gigue ;• Le taux de perteexpérimenté par les paquets.

• les performances de QoS sont mesurées par des paramètres :– variation maximale entre cellules : Peak-to-Peak Cell Delay Variation

(CDV) ;– temps de transfert maximum : Maximum Cell Transfer Delay (Max CTD) ;– temps de transfert moyen : Mean Cell Transfer Delay (Mean CDV) ;– taux de perte : Cell Loss Ratio (CLR) ;


Le routage des opérateurs Internet

R4 (Paris)

R2 (Troys)

R1 (Sens)

R5 (Strasbourg)

R3 (Colmar)

R6 (Besançon)

R7 (Dijon)

B

A

AC

Paris

Annecy

Lyon

AD

Grenoble

Ebone

AD

Réseau clientRouteur de bordure (EGP)

Routeur interne (IGP)

• Les plaques sont interconnectées par les routeurs de bordure• en Ile de France, les réseaux des opérateurs sont interconnectés par le Ebone


Garantir le cheminement des paquets

Problèmes :• en cas d ’encombrement d ’un lien, les paquets sont routés par un autre chemin ;• si le chemin est trop long, les paquets sont détruits.

Objectifs :• gérer les routeurs pour garantir un chemin constant des paquets des flux « temps réel »

Réseau B

Réseau A

Réseau C

Routeur 2

Routeur 1

Routeur 3

Routeur 4

Routeur 5


Gérer les débits sur les liens

Multiplexage des flux :• le débit maximum (1+0,5) est inférieur à la bande passante du lien ;

Réseau B

Réseau A

Réseau C

Routeur 2

Routeur 1

Routeur 3

Routeur 4

Routeur 5

1Mb/s0,5Mb/s

Lien de 2Mb/sXXXXX

1,3Mb/s

• le débit maximum (1+1,3) est supérieur à la bande passante du lien. Des paquets seront détruits.

Objectif : gérer les débits des flux entrant dans le réseau• optimiser le routage pour éviter le dépassement de bande passante ;• gérer les variations des débits des flux.


Gérer les variations de débits

Variation des débits :• les rafales dépassent la bande passante de 2Mb/s du lien ;• des paquets sont retardés (gigue) ou détruits ;

Solutions :• définir des paramètres de débit (débit minimum, débit crête, durée des rafales ;• définir un délai de traversée, un taux de perte de paquets.

Réseau B

Réseau A

Réseau C

Routeur 2

Routeur 1

Routeur 3

Routeur 4

Routeur 5

Lien de 2Mb/s

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3


QoS : transmission et routage

Pour assurer une qualité de service sur un réseau, il faut :

• un protocole de transmission à performances garanties ;

• un protocole de routage réservant des ressources dans les routeurs

traversés ;

• un protocole de signalisation contrôlant les performances réelles, dans

le réseau et de bout en bout ;

• des routeurs mettant en œuvre ces protocoles.


Quelles solutions ?• Protocoles de transmission (niveau 2) :

– ATM ; SDH ; frame Relay• Protocoles de routage (niveau 3) :

– IPv4 ; IPv6 ; ATM• Protocoles de signalisation (niveau 3) :

– Integrated Services - Intserv - RFC1633– Ressource reSerVation Protocol (RSVP) with Intserv - RFC2210 – Guaranteed QoS in Intserv - RFC2212 – Control Load QoS with Intserv - RFC2211

• Differentiated services - Diffserv - RFC2474)– 64 Classes de service – 2 profils : Expedite (RFC2598) à faible latence

Assured (RFC2597) - débit garanti• MultiProtocol Label Switching

– 4 classes de service (Premium, Gold, Silver et Bronze)– ajout d ’une étiquette aux paquets dans le réseau de l’opérateur– compatible avec Diffserv


Routage : le piège du «plus court chemin»

Routeur 2

Réseau B

Réseau A

Réseau C

Routeur 1

Routeur 3

Routeur 4

Routeur 5

20Rt 2Rt 420Rt 2Rt 510Rt 3Rt 310Rt 2Rt 2CostNext-HopNode

OC3 OC1

• tout le trafic entre les réseaux A et B passera par les routeurs 2 et 4• si 2 flux de 40Mb/s sont ouverts, le lien OC1(51Mb/s) est saturé et 40% des paquets perdus

• le choix du chemin doit tenir compte des débits disponibles sur les liens


Un trafic composite à gérer

flux constant

02468

flux variable 1

0

5

10

15

02468

flux variable 2

débit moyen

rafale

Débit maximum

durée

Trafic composite


Règles de gestion du trafic

0

5

10

15

Trafic composite

0

5

10

15

Ecrêtage (policing) :• les paquets sont détruits par ordre de priorité croissante• le taux de perte augmente

0

5

10

15

Lissage (shaping) :• les paquets sont stockés et transmis dès que le débit diminue• la latence augmente

Régulation du trafic

Paquets retardés

Paquets détruits


Mécanismes de DiffServices

• QoS obtenue par traitement différencié de chaque paquetouclasse de paquet

• Classification du trafic par application/réseau

• marquage des paquets

• régulation/formatage du trafic

• gestion des files d’attente par classe et par flux

• pas de signalisation explicite provenant des applications

• approprié à la gestion de flux groupés


Differentiated IP Services

Guaranteed: Latency and Delivery

Best Effort Delivery

Guaranteed Delivery

Voice

E-mail, WebBrowsing

E-Commerce

Application Traffic

Platinum Class Low Latency

Silver

Bronze

Gold

VoiceVoice

TrafficClassification

TrafficClassification

DiffServ : 4 Classes de trafic

Document www.cisco.com


DiffServ : marquage des paquets

VersionLength Len

Niv. 3 ; IPV4Niv. 3 ; IPV4

ID Offset TTL Proto FCS IP-SAIP-DA DataToS1 Byte

07 123456

Classe de trafic

Differenciated Services Code Point

Unused Bits;

Priorité


DiffServ : Architecture (RFC-2475)Document www.cisco.com


QoS et MPLS : une question d’étiquette

• une étiquette est ajoutée au paquet à l’entrée sur le réseau• le traitement de chaque paquet sera différencié d’après cette

étiquette• une détection de congestion (Weighted Random Early

Detection) et de gestion équilibrée des files d’attente(Weighted Fair Queuing) sont mises en œuvre

• protocole compatible avec les autres protocole de garantie de service sur IP (notamment DiffServ)


ConventionalRouter

Label EdgeRouters

ATM-LSR

Label SwitchingRouter (LSR)

Architecture d’un réseau MPLS

Les routeurs de bordure :• affectent l ’étiquette aux paquets entrants• assurent une régulation du trafic entrant



MPLS

Core

MPLS : rôle des routeurs

1) Le routeur de bordure : • ajoute l ’étiquette (MPLS Ext)• régule le débit d’entrée

1) Le routeur de noyau : • lit l ’étiquette (MPLS Ext)• gère les classes de service• détecte les congestions


ISP Customer

1) Le routeur du clientdéfinit : • la classe de service (DSCP) • les paramètres (débit, priorité)


MPLS QoS : copie du DSCP

DSCP : xxxdd

IPv4 Packet MPLS Hdr

MPLS EXP: xxxdd

Non-MPLS Domain

MPLS Domain

EFEFx x x y y 0 CUCU

ClassClass DropDropPrecedencePrecedence

AF Class = 1, 2, 3, 4AF Class = 1, 2, 3, 4

Drop Precedence = 2, 4, 6Drop Precedence = 2, 4, 6

AFxyAFxy

1 0 1 1 1 0 CUCU

DSCP


Contrôle des ressources des nœuds

Les ressources sont réservées dans chaque nœud, et une fonction de contrôle d’admission de traffic activée (Connection Admission Control).

Setup (QoS)

Call proceeding

Setup (QoS)

Mise en œuvre du CAC

Setup (QoS) Setup (QoS)

connectconnect AcK

connect

connect

AcK


Choix d’une route• Une vue globale des ressources du réseau est nécessaire. Elle est

assurée par un algorithme “ générique ” de contrôle d’admission (GCAC).

• A la réception d’une demande de connexion :

• Les liens qui ne disposent pas du débit requis ou dont le taux de perte de cellules est supérieur à la demande sont éliminés de la liste des chemins possibles;

• Une liste des chemins les plus courts est établie ;

• De cette liste sont éliminés les chemins dont les performances globales sont inférieures à celles demandées. Dans le cas où plusieurs chemins sont trouvés, la répartition du traffic sur le réseau est prise en compte ;

• La description complète du chemin choisi est notée dans une liste (DTL) et transmise à tous les nœuds du chemin.


Principales méthodes de contrôle de flux

• à l’accès du réseau par régulation du débit (Source Traffic Smoothing, Leaky Bucket) �� ;

��

��

��

• de bout en bout (Rate Control for end-to-end Transport) utilisant des cellules OAM�� ;

• contrôle de congestion réactive ou préventive (Connection Admission Control) ��

Documents

Qualité de Services sur Internet - perso.u-pem.frperso.u-pem.fr/present/supports/pdfSTIC/QoS.pdf · les stratégies de QoS basées sur l'utilisateur ou l'ordinateur et les appliquer