QoS

144 Pages·2013·3.85 MB·Portuguese

by  Edison de Queiroz Albuquerque

Q S -
o
QUALIDADE DE SERVIÇO EM
REDES DE COMPUTADORES

Q S -
o
QUALIDADE DE SERVIÇO EM
REDES DE COMPUTADORES
Edison de Queiroz Albuquerque
Revisor técnico:
PROF. DR. FERNANDO FROTA REDIGOLO
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CIP-BRASIL. CATALOGAÇÃO NA PUBLICAÇÃO
SINDICATO NACIONAL DOS EDITORES DE LIVROS, RJ
A299q
Albuquerque, Edison
QoS : qualidade de serviço em redes de computadores / Edison Albuquerque ; edição revista
por Fernando Frota Redigolo. - 1. ed. - Rio de Janeiro : Elsevier, 2013.
24 cm.
ISBN 978-85-352-7232-2
1. Redes de computadores. I. Redigolo, Fernando Frota. II. Título.
13-03149 CDD: 004.6
CDU: 004.7
18/07/2013 18/07/2013
INTRODUÇÃO
Quando a Internet foi criada, a finalidade era passar dados e textos. Não
se pensava, então, que ela pudesse passar aplicações com restrições severas com
relação a tempo de resposta, tais como VoIP (Voice over IP) e IPTV (IP TeleVision).
Havia, na época, uma discussão nos meios científicos sobre a capacidade de redes
comutadas por pacote (como a Internet) de transmitir telefonia. Alguns aceitavam
que a telefonia continuaria trafegando por redes comutadas por circuito, tal
como ocorre hoje com as redes das operadoras de telefonia convencional. As
redes comutadas por pacotes ficariam responsáveis somente pela transmissão de
dados e texto.
Mas a genialidade humana não se conforma com limites e as primeiras
transmissões de voz pela Internet começaram a acontecer há muitos anos, ainda
com qualidade duvidosa, ou como se diz no jargão das telecomunicações, sem
qualidade comercial. De lá para cá, surgiram várias técnicas que melhoraram o
desempenho da Internet, designadas de maneira genérica como QoS (Quality of
Service). Este livro trata dessas técnicas de QoS utilizadas sobre uma rede baseada
no protocolo IP (Internet Protocol). Para melhor entender a questão de QoS, será
adotado neste trabalho o modelo de redes locais (LANs – Local Area Networks)
interligadas através de redes de longa distância (WANs – Wide Area Networks).
Além deste são considerados também os acessos urbanos, também referenciados
como redes metropolitanas (MANs – Metropolitan Area Network), que ligam as
dependências do Cliente às dependências do provedor de WAN. Os americanos
chamam o acesso urbano de last mile (última milha), sendo também encontrado
em alguns lugares o termo first mile (primeira milha).
Este modelo LAN-MAN-WAN-MAN-LAN pode ser visto na Figura 1.
Nas LANs consideraremos a formação esmagadoramente predominante no
mundo inteiro, que são as LANs baseadas no protocolo Ethernet e suas versões
mais velozes, com o protocolo IP sobre Ethernet. Em relação às redes de longa
distância, o foco é em WANs baseadas no protocolo IP (Internet Protocol) e os
demais protocolos, que são usados juntos para compor o que é usualmente
chamado de pilha de Protocolo TCP/IP, que inclui o protocolo UDP, ICMP,
IGMP etc. Por fim, para as MANs consideraremos o IP sobre PPP (ou também
o HDLC, proprietário da Cisco)1. Todos os demais protocolos Token-Ring, Token-
Bus, Frame Relay, ATM, X.25 não serão considerados, visto que essas tecnologias
legadas estão obsoletas ou entrando em obsolescência.2
O acesso urbano, geralmente esquecido pelos livros, é a parte mais fraca em
termos de qualidade. Normalmente é a parte mais problemática, sendo que,
vii
viii Introdução
Figura 1 Esquema de uma conexão fim a fim
algumas vezes, nem existe na velocidade de transmissão pretendida em algumas
localidades.
Apesar do surgimento do IPv6, vamos nos concentrar no IPv4, que é a versão
dominante em todo o mundo nos dias de hoje. O IPv6 será visto com mais
detalhes na parte que trata de QoS (Quality of Service).
Hoje em dia um profissional de redes de computadores tem que ter conhe-
cimentos pelo menos razoáveis das técnicas que vão ser vistas para atender as
demandas que vão ser colocadas sob sua responsabilidade.
1 Hoje em dia já se encontram comercialmente serviços em que o Ethernet é também o protocolo
nos acessos urbanos e nas WANs. Deste modo, não haveria o inconveniente de encapsular e
desencapsular o datagrama IP do cabeçalho IP, depois do PPP ou HDLC, e então do ATM. Sem
falar nas fragmentações e desfragmentações.
2 Uma arquitetura usual é a de encapsular os datagramas IP em células ATM, e estas usarem o SDH
(Synchronous Digital Hierarchy) como plataforma de transporte. Alguns usuários encapsulam o IP
em Frame Relay e este em ATM que, por sua vez, se apoia sobre o SDH. Já há enlaces operando
com o IP diretamente em cima do SDH (POS, ou Packet over SONET), dispensando o ATM,
com ganho de vazão (throughput) de até 25%. Experimentalmente há o IPoverGlass, que é o IP
direto na fibra ótica, sem o SDH.
1
CapíTulo um
Da Telefonia às Redes
de Computadores
Para entender as redes de computadores é interessante entender sua
rápida evolução.
No início, as telecomunicações resumiam-se ao serviço de voz (telefo-
nia). O telégrafo nunca chegou a formar uma rede, na acepção da palavra.
Já em telefonia, foram criadas grandes redes a nível estadual, nacional e
internacional1.
A seguir, resumimos a evolução das redes de comunicação.
Tome-se como exemplo uma interligação em rede de telefonia de
grandes cidades brasileiras, ilustrada na Figura 1.1: São Paulo (SPO),
Rio de Janeiro (RJO), Brasília, Salvador (SDR), Recife (RCE), Curitiba
(CTA) e Porto Alegre (PAE). Foram usadas essas poucas localidades para
simplificar a explanação.
Para criar uma rede de telefonia, uma empresa provedora de tais servi-
ços deve comprar centrais de comutação telefônica, atualmente CPA-T, e
interligá-las por enlaces de micro-ondas analógicas ou digitais ou, ainda,
fibras óticas. As instalações que abrigam as centrais telefônicas, multiplexes,
rádios micro-ondas etc. vão requerer minimamente:
1. técnicos e engenheiros especializados, treinados constantemente;
2. peças sobressalentes, para reparo, em estoque;
3. salas (metro quadrado) para abrigar as centrais e equipamentos de
transmissão;
4. ar-condicionado – retificadores e baterias;
5. no breaks etc.
Viu-se, então, que a rede de telefonia funcionava bem e atendia ao
mercado empresarial e residencial. No entanto o mercado reclamava um
sistema de transmissão de texto para melhorar os procedimentos comer-
ciais. Resolveu-se instalar uma rede de mensagens, o telex. Para isso foram
1 Entendemos, aqui, por redes o conjunto de equipamentos de comutação (roteamento) e
transmissão (que ligam os equipamentos entre si), de modo a possibilitar que um usuário
acesse outro usuário de maneira automática (sem auxílio de operadores humanos) de
modo eficiente, fácil e rápido.
1
2 QoS - Qualidade de Serviço em Redes de Computadores
Figura 1.1 Rede exemplo, ligando algumas localidades.
Figura 1.2 Expansão da rede da Figura 1.1.
Da Telefonia às Redes de Computadores 3
compradas centrais de comutação e peças sobressalentes, e foram con-
tratados técnicos e engenheiros, além de terem sido providenciados mais
uma área para instalação das centrais, ampliação dos sistemas de transmissão,
ar-condicionado, retificadores, baterias etc., como mostrado na Figura 1.2.
Tudo estava funcionando satisfatoriamente quando os computadores,
pessoais e mainframes, começaram a se disseminar no meio empresarial.
Esse fato acarretou o surgimento da interligação dos computadores entre
as matrizes e as filiais das grandes empresas, inicialmente. Os primeiros
circuitos para interligação de computadores utilizavam canais de voz, de
4KHz quando analógicos (máximo de 19.200 bps) e de 64 kbps quando
digitais. O conceito de Redes Digitais de Serviços Integrados (RDSI), ou
Integrated Services Digital Network (ISDN), parecia uma evolução natural de
uso de uma plataforma de centrais digitais interligadas por meios digitais
(rádio e fibra ótica), transmitindo voz, texto e dados sobre a plataforma
de telefonia existente. Os mais comuns foram o RDSI-BRI (RDSI –
Basic Rate Interface) e o RDSI-PRI (RDSI – Primary Rate Interface)[1][2].
O BRI usava dois canais de voz de 64 kbps com um canal adicional de
sinalização (fora da banda) de 16 kbps. O PRI, por sua vez, dependia do
país: no Brasil utilizou-se um agregado de 30 canais de voz de 64 kbps
e mais um canal de sinalização de 64 kbps, formando um feixe dito E1
(2 Mbps), enquanto que nos EUA e Japão utilizou-se um agregado de
24 canais, formando o famoso T1 (1,5 Mbps).
Apesar da grande expectativa de que o RDSI seria a solução de banda l arga
que agregaria todos os serviços usados até então (telefonia, texto e dados),
essa tecnologia não teve grande crescimento no Brasil e nem nos EUA. A
Europa tornou-se grande usuária a ponto de alguns equipamentos (por
exemplo, aparelhos de videoconferência) já saírem de fábrica equipados
com interface para essa plataforma. No Brasil e nos EUA, o RDSI (que
surgiu comercialmente na década de 70) começou tardiamente a ser usado
em maior escala, mas com a chegada da família de tecnologias de acesso
xDSL (Digital Subscriber Loop) na década de 90, entrou em desuso.
O sistema de telefonia, porém, não atendia satisfatoriamente à neces-
sidade de interligação de computadores, ou seja, de transmissão de dados.
Foi necessário construir uma rede de Comunicações de Dados específica
para essa modalidade. A EMBRATEL, à época, entregou ao mercado a
rede Transdata, que oferecia circuitos ponto a ponto de dados, em diversas
velocidades.
A entrada da rede dedicada para transmissão de dados significou a
compra de equipamentos de comutação de dados, peças sobressalentes,
4 QoS - Qualidade de Serviço em Redes de Computadores
área, climatização, retificadores, baterias, novos técnicos e engenheiros,
ampliação dos sistemas de transmissão, treinamento etc.
Devido ao alto custo dos circuitos de dados dedicados, e com o sur-
gimento da recomendação X.25, emitida pelo CCITT (hoje ITU-T),
utilizando a tecnologia de comutação por pacotes, foi implantada uma
rede de dados comercial baseada nesse protocolo, ao redor de 19842.
Foi necessária mais área para instalar os equipamentos, mais sobres-
salentes, mais técnicos e engenheiros, mais treinamento etc. (vale notar que
o pessoal de uma tecnologia não estava capacitado para projetar, operar e
manter os equipamentos das outras tecnologias).
Depois surgiram o Frame-Relay, o ATM (Assynchronous Transfer Mode)
e a rede IP. Não precisa repetir que a quantidade de equipamentos, peças
sobressalentes, pessoal, área etc. que cada uma dessas tecnologias exigia
encarecia o serviço. O custo dos serviços baseados em cada uma das
tecnologias mencionadas acima tem que ser repartido com os usuários
delas e, evidentemente, fica dispendioso por causa do alto custo de ter
uma rede para cada serviço.
Essa multiplicidade, com o consequente encarecimento dos serviços
prestados, tem levado as empresas provedoras de serviços de telecomunica-
ções, em todo o mundo, a migrarem todos os serviços para uma única rede
que, pela grande aceitação e consequente capilaridade, é a baseada na pilha
de protocolos IP. A essa presença mundial se dá o nome de ubiquidade.
No momento em que houver uma única rede para todos os serviços,
ficará evidente a enorme economia de escala que se fará em termos de
pessoal, equipamento e espaço. Consequentemente, o custo do serviço
para o usuário final diminuirá substancialmente. A diminuição do custo do
serviço faz com que os usuários utilizem mais os meios de comunicações,
alavancando novos negócios e recuperando a receita.
A maneira preferencial de interligar duas instalações de equipamentos
de um backbone, seja na mesma cidade, seja em cidades diferentes, ou mes-
mo em estados e países diferentes, é por meio de fibras óticas (no caso de
interligar países, usa-se cabos ópticos submarinos).3 As pontas das fibras
são terminadas por equipamentos SDH (Synchronous Digital Hierarchy) que
trabalha no modo TDM determinístico, com comutação por circuito, e é
2 Na época, a rede de pacotes baseados no protocolo IP tinha seu uso restrito ao meio
acadêmico e militar.
3 Os rádios de micro-ondas digitais, em agregados de 155 Mbps, bem como os satélites
são, hoje, usados como back-up das fibras óticas.