Desarrollo de un Nodo Encaminador para Filtrado y Simulación de Tráfico en Subredes IP

1. TE 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

2. Índice • Introducción • Modelo de Servicios Diferenciados • Desarrollo de Encaminador DS • Interfaz de Usuario • Pruebas de funcionamiento • Conclusiones y líneas futuras

3. 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

4. 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

5. 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

6. 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)

7. Índice • Introducción • Modelo de Servicios Diferenciados • Desarrollo de Encaminador DS • Interfaz de Usuario • Pruebas de funcionamiento • Conclusiones y líneas futuras

8. 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

9. 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

10. Expedited Forwarding (EF) • Mayor nivel de Prioridad • Mínimas pérdidas, bajo retardo ybajo 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

11. 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 • 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

12. 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

13. Modelo de Servicios Diferenciados Proveedor de Servicios de Internet (ISP) TCA Dominio DiffServ Clase 1 SLA Clase 1 Clase 2 Clase 2 Nodo DiffServ Interior Nodo DiffServ Frontera Nodo DiffServ Interior Usuario

14. 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

15. Modelo de Servicios Diferenciados Proveedor de Servicios de Internet (ISP) TCA Dominio DiffServ Clase 1 SLA Clase 1 Clase 2 Clase 2 Nodo DiffServ Interior Nodo DiffServ Frontera Clasifica  BA Nodo DiffServ Interior Aplica PHB Usuario Clasifica  Perfil Cliente Acondiciona (TCA) Clasifica  BA Aplica PHB ( Ajusta tráfico al perfil de tráfico contratado ) ( Asocia BA del Dominio  Marca DSCP )

16. Índice • Introducción • Modelo de Servicios Diferenciados • Desarrollo de Encaminador DS • Interfaz de Usuario • Pruebas de funcionamiento • Conclusiones y líneas futuras

17. 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

18. Diagrama de bloques

19. Módulo de Servicios Diferenciados Implementación de elementos basada en la RFC 3290: “Modelo Informal de Gestión para Routers DiffServ”

20. Clasificador • Tráfico de entradaPerfil de ClienteGestor 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

21. 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

22. Conformador / Eliminador • Conformador Token Bucket • Eliminador: Token Bucket con Tamaño de Cola = 0

23. 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

24. Sistema de Colas de Salida • 3 Sesiones: EF, AF y Best Effort • Sesión • Cola FIFO • Mecanismos de gestión y planificación

25. Mecanismos de Gestión de Entrada • TailDrop • Elimina paquetes por final de cola cuando ésta esta llena • Sincronización global TCP • Utilización ineficiente de la red • 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

26. 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

27. 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

28. Índice • Introducción • Modelo de Servicios Diferenciados • Desarrollo de Encaminador DS • Interfaz de Usuario • Pruebas de funcionamiento • Conclusiones y líneas futuras

29. Panel Configuración

30. Panel Cola de Entrada

31. Panel Clasificador

32. Panel Gestor de Tráfico

33. Panel Gestor de Tráfico

34. Panel Gestor de Tráfico

35. Panel Adaptadores

36. Índice • Introducción • Modelo de Servicios Diferenciados • Desarrollo de Encaminador DS • Interfaz de Usuario • Pruebas de funcionamiento • Conclusiones y líneas futuras

37. 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

38. 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

39. Marcado de Paquetes Expedited Forwarding

40. Conformado

41. Conformado 3 Mbps 0 Paquetes Perdidos 1 Mbps

42. Eliminación

43. Eliminación 3 Mbps Paquetes perdidos > 0 1 Mbps

44. Mecanismos RED

45. Planificación de Salida 50 40 10

46. 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

47. Índice • Introducción • Modelo de Servicios Diferenciados • Desarrollo de Encaminador DS • Interfaz de Usuario • Pruebas de funcionamiento • Conclusiones y líneas futuras

48. 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

49. 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

50. TE 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