Seção: Tutoriais Banda Larga

 

 
Redes WiMAX: Qualidade de Serviço (QoS)

 

Nos segmentos de Redes de Pacotes e de Computadores, o termo de engenharia de tráfego chamado Qualidade de Serviço (QoS) refere-se a probabilidade da rede de telecomunicação satisfazer a um determinado contrato de tráfego, ou em muitos casos também é utilizado informalmente para referenciar-se a probabilidade de um pacote ser transmitido com sucesso entre dois pontos quaisquer de uma determinada rede.

 

No campo da telefonia, o termo QoS de Telefonia refere-se a ausência de ruído e tons no circuito da rede, níveis apropriados de ruído.

 

Problemas

 

Quando a Internet estava sendo criada, não havia nenhuma necessidade percebida para uma aplicação de QoS. Dessa forma a Internet inteira utilizava o sistema de Best Effort. Existiam 04 bits para “Tipo de Serviço” e 03 bits de “Precedência” fornecidos em cada mensagem, mas eles eram na sua maior parte não utilizados.

 

Existiam muitas coisas que podiam acontecer com os pacotes quando eles eram transmitidos da origem para um determinado destino e resultavam nos seguintes problemas, quando vistos do ponto da vista do transmissor e do receptor, a saber:

 

Dropped Packets

 

Os roteadores podiam falhar na manipulação de alguns pacotes se eles chegam quando os armazenadores (buffers) dos roteadores estão cheios. Alguns, nenhum, ou todos os pacotes podem ser descartados, dependendo do estado da rede, e é impossível determinar o que aconteceu antecipadamente. A aplicação de recepção deve interrogar esta informação para ela ser transmitida, causando possivelmente atrasos severos na transmissão global.

 

Atraso

 

Pode demorar um tempo longo para um pacote chegar ao seu destino, por que ele pode ser mantido em longas filas, ou seguir uma rota mais longa para evitar congestionamento. Alternativamente, o pacote pode seguir uma rota rápida ou direta. Então o atraso é imprevisível.

 

Jitter

 

Os pacotes de uma determinada fonte atingirão o destino com diferentes atrasos. Esta variação no atraso é conhecida como jitter e pode seriamente afetar a qualidade de um streaming de vídeo e/ou um vídeo.

 

Out-of-Order Delivery

 

Quando um conjunto de pacotes são roteados através da Internet, diferentes pacotes podem tomar diferentes rotas, cada uma provocando um diferente atraso. O resultado é que os pacotes chegam no destino em ordens diferentes daqueles que foram enviados. Este problema precisa de protocolos especiais complementares para rearranjar os pacotes “fora de ordem” uma vez que eles alcancem seu destino.

 

Erro

 

Algumas vezes os pacotes perdem a direção, ou são combinados juntos, ou corrompidos, enquanto estão sendo transmitidos em uma determinada rota. O receptor tem que detectar esta não conformidade e, simplesmente descartar o pacote, solicitando ao transmissor que reenvie o pacote com erro.

 

Aplicações que necessitam de QoS

 

Um determinado fator QoS pode ser necessário para certos de tráfego de rede, a saber:

  • Streaming de multimedia pode exigir um throughput garantido;
  • Telefonia ip ou voip podem exigir limites estritos de jitter ou atraso;
  • Teleconferência de vídeo requer baixo nível de jitter;
  • Link de emulação dedicado exige tanto um troughput garantido quanto impõe limites máximos de atraso e jitter;
  • Uma aplicação de segurança crítica, tais como “cirurgia a distância” pode exigir um nível garantido de disponibilidade (que também é conhecido como hard qos).

Estes tipos de serviço são chamados “inelásticos”, significando que requerem um determinado nível de largura de banda para funcionar – nada mais do que é requerido não é utilizado, e muito menos restituído como um serviço não operante. Ao contrário, as aplicações “elásticas” podem levar vantagem tanto mais ou tanto menos quanto a largura de banda estiver disponível.

 

Obtendo o QoS

 

Quando o custo dos mecanismos para fornecer QoS é justificado, os clientes e os fornecedores da rede definem tipicamente em um acordo contratual denominado (SLA, Acordo do Nível de Serviço) que especifica garantias para a habilidade da rede ou protocolo em fornecer os limites de performance/throughput/latência baseados em medidas mutuamente concordadas, geralmente dando prioridade ao tráfego.

 

Mecanismos de QoS

 

O QoS pode ser fornecido generosamente acima do provisionamento de uma rede de tal forma que todos os pacotes tenham um QoS suficiente para suportar aplicações sensíveis. Este procedimento é relativamente simples, e é economicamente viável para muitas redes de banda larga. O desempenho é razoável, particularmente se o usuário está disposto a aceitar algumas vezes algum nível de degradação.

 

Para o exemplo, os serviços comerciais de VOIP estão substituindo cada vez mais o serviço de telefone tradicional mesmo que nenhum mecanismo de QoS esteja operando entre a conexão do usuário até o seu ISP (Internet Service Provider) e também a conexão de um provedor de VoIP até um determinado ISP.

 

Para as redes de banda estreita, mais típicas de empresas e de governos locais, entretanto, os custos da largura de banda podem ser substanciais e um alto provisionamento é difícil de se justificar. Nestas situações, duas filosofias diferentes foram desenvolvidas distintamente para projetar o tratamento preferencial para os pacotes que o requerem, a saber: "IntServ" ou "DiffServ".

 

Os roteadores que suportam a filosofia “DiffServ” utilizam filas múltiplas para os pacotes esperando transmissão em uma larga de faixa restrita (por. ex., wide area).  Os vendedores de roteadores fornecem potencialidades diferentes para configurar este comportamento, para incluir o número das filas suportadas, as prioridades relativas das filas, e a largura de banda reservada para cada fila.

 

Na prática, quando um pacote deve ser enviado para uma interface com enfileiramento, os pacotes necessitam baixo nível de jitter (p. ex., VoIP ou Teleconferência de Vídeo) são dadas prioridades maiores que os pacotes em outras filas.

 

Tipicamente, alguma largura de banda é alocada por default para o controle dos pacotes da rede (p. ex. protocolos do roteamento), quando o tráfego de “Best Effort” deve simplesmente ser assegurado independente da largura de faixa que seja garantida.

 

Como mencionado, apesar da filosofia “Diffserv” ser utilizada em muitas redes corporativas sofisticadas, ela não tem sido utilizada em larga escala na Internet. Os arranjos de peering da Internet são bastante complexos, e parece não existir nenhum entusiasmo entre os provedores em suportar QoS entre as conexões de peering, ou um acordo sobre quais políticas seriam suportadas para garantir o QoS.

 

Entre os principais mecanismos de QoS destacamos:

  • Constant Bit Rate (CBR);
  • Constant Information Rate (CIR);
  • Best Effort (BE).

Constant Bit Rate (CBR)

 

CBR é um termo utilizado em telecomunicações relacionado com a Qualidade de Serviço (QoS). O principal objetivo de um serviço da classe CBR é suportar aplicações de tempo real tais como vídeo ou streaming de voz. É bem conhecido que a qualidade de voz em uma rede de pacotes de VoIP é muito sensível a latência do pacote ou ao jitter.

 

Existem fornecedores de WiMAX que criaram features especiais para minimizar a latência e o jitter e manter a voz com excelente qualidade. Por exemplo, os fluxos de CBR (e CIR) estão sujeitos a Controle de Admissão e uma vez que ele é admitido a sua largura de banda está assegurada enquanto a sua duração for ativa.

 

Tem fornecedores de WiMAX que armazena o fluxo CBR em buffers diferentes daqueles tipo CIR e BE. Normalmente o fluxo CBR deveria ter uma maior prioridade quando comparado ao CIR e BE, o que implicaria que o sistema “atende” aos pacotes CIR e BE somente depois que ele termina de transmitir todos os pacotes CBR.

 

Quando referenciada a CODECS, a CBR significa que a taxa na qual a os dados de saída CODEC seriam consumidos é constante.  A CBR é útil para conteúdos de Streaming de Multimídia nos canais de capacidade limitada desde que a taxa máxima (bit rate) é a que importa, e não a média, de tal maneira que a CBR seria utilizada para levar vantagem de toda a capacidade de transmissão. 

 

A CBR não seria a escolha ótima para armazenamento desde que ela não alocaria bastante dados para seções complexas (resultando na degradação da qualidade) a medida que desperdiça dados nas seções simples.

 

Imporatante!

A taxa CBR deve ser utilizada para dimensionar redes que serão utilizadas para aplicações de Voz e Serviços de Dados Críticos como Aplicações Financeiras, ERPs (por. Ex., SAP) e Serviços de Vídeo.

 

Constant Information Rate (CIR)

 

No negócio de telecomunicações CIR é largamente entendida como um sinônimo para taxa mínima garantida. Em Redes de Circuito tradicionais. Uma vez que a comunicação é estabelecida, a largura de banda ao longo do caminho é fixa e reservada enquanto durar a chamada.

 

No caso de Rede de Pacotes, por outro lado, não existe reserva explícita de largura de banda e o fluxo do pacote ocorre, não importando a capacidade disponível no link.

 

Estes 02 paradigmas ficaram separados até poucos anos atrás, quando foi descoberto que é possível estabelecer um “tipo de reserva de largura de banda” na Rede de Pacotes utilizando serviços especiais de escalonamento (scheduling) chamados Weighted Fair Queueing (WFQ).

 

Importante!

A taxa CIR deve ser utilizada para dimensionar redes que serão utilizadas para aplicações de Serviços de Dados menos Críticos como redes de VoIP.

 

Best Effort (BE)

 

O fator BE descreve um serviço de rede no qual a rede não oferta condições especiais para recuperar dados perdidos ou corrompidos. A remoção da necessidade de prover tais serviços faz – obviamente – que a rede opere mais eficientemente.

 

Um exemplo de um serviço que não é de rede e opera no modelo de “melhor esforço” é o Serviço Postal. Normalmente o Serviço Postal entrega a sua carta mas você não tem certeza se ela realmente foi enviada. Se você quer ter esta certeza tem que pagar uma taxa extra.

 

O sistema reserva uma percentagem de tempo do total da capacidade do link para o fluxo BE. Isto previne dos fluxos de prioridades maiores como o CBR e CIR aniquilarem o fluxo BE, durante os períodos de congestão do link.

 

Os fluxos de BE têm as seguintes propriedades:

  • Para alguns fornecedores de WiMAX, o fluxo de BE – como os de CBR e CIR são armazenados separadamente uns dos outros;
  • O fluxo de BE não está sujeito a controle de admissão;
  • Fluxos ativos de BE compartilham igualmente a disponibilidade da rede entre eles;
  • Se os fluxos das classes de serviços CBR e CIR não estão utilizando a alocação de largura de banda completamente, a capacidade não utilizada da banda pode ser utilizada para os fluxos de BE.

Na suite do protocolo TCP/IP, o TCP fornece serviços garantidos enquanto que o IP trabalha na base do “melhor esforço”. O TCP executa o serviço de obter uma confirmação do envio do receptor e envia a mesma para o transmissor dos pacotes.

 

O IP faz o melhor para enviar os pacotes para o destino, mas não toma nenhuma atitude de recuperar os pacotes no caso deles se perderem ou ser enviado para outro destino.

 

Importante!

A taxa BE deve ser utilizada para dimensionar redes que serão utilizadas para aplicações de Internet.

 

 

 

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