QOS

Por hacer

Random Early Detection, RED, WRED.

QoS hace referencia al uso de tecnologías que permiten administrar datos y paquetes para reducir la pérdida de paquetes, latencia y jitter en la red, como así también para manejar ancho de banda. Debido a esto es necesario que los routers deben priorizar tráficos sobre otros, aplicando mecanismos de control del ancho de banda que limiten la tasa de datos ya sea mediante direcciones IP, protocolos, puertos, entre otros.

Existen dos tipos de aplicaciones, que se diferencian según sus requisitos:

• Elásticas: son flexibles en requerimientos de ancho de banda y se adaptan a las condiciones de la red, por ejemplo TCP, mails, aplicaciones WEB, transferencia de archivos.

• Inelásticas: no son tan flexibles, ya que necesitan de que se cumplan ciertos parámetros mínimos de ancho de banda para que puedan funcionar correctamente, por ejemplo VOIP, videoconferencia.

Se define a un fujo como una secuencia de datagramas o segmentos que son el resultado de una acción del usuario y requiere la misma QoS. Es unidireccional y la entidad mínima a la cual un router puede aplicarle QoS. Se identifica por cinco parámetros puerto e IP de origen y destino y el protocolo (TCP o UDP).

• QoS (Quality of Service): se refiere a la priorización y clasificación del tráfico en general, puede ser mediante técnicas de policing, shaping, entre otras.

• CoS (Class of Service): es un campo en el header de Ethernet, mas precisamente en la parte de VLAN, en donde se puede diferencia los servicios para luego darles prioridad

• ToS (Type of Service): segundo byte en el header de IP donde se puede especificar algun tipo de prioridad. En la actualidad se utiliza DSCP (Differenciated Services Code Point) que son 5 bits de ese byte reservado.

IP QOS peermite calidad de servicio extremo a extremo, de capa 2 como VLAN no

La cola es punteros a memoria. Un buffer es la memoria.

• Es lo mismo QoS en IPv4 que en IPv6 basicamente, cambian un poco los headers nomas

• Solamente se puede controlar lo que sale para el tema de prioridades. El marcado es a la entrada.

Arquitectura

• Grandes grupos: mecansimos de control de datos o control de caminos.

• Clasificación:

  • Por flujo: Secuencia de datagramas (IP origen y destino, puerto origen y destino, protocolo). Cada conexion TCP tiene tiene 2 flujos.

  • Stream.

  • Clase trafico.

  • Campo de IP.

  • MPLS.

  • Capa 2.

  • Inspección profunda.

• Policing: Su función es asegurar que un tráfico no supere una tasa máxima determinada, controlando el ancho de banda y descartando aquellos paquetes que hagan que se supere esta tasa.

• Shaping: También asegura que un tráfico no supere una tasa determinada pero a diferencia del policer, en vez de descartar paquetes que hagan exceder la tasa, los retrasa suavizando la transferencia.

• Marking: Es el marcado de paquetes mediante una etiqueta que le permite a los routers, mediante un acuerdo previo, para darle un tratamiento determinado. No hay reserva de recursos por flujo, ni protocolo de señalización, ni información de estado en los routers.. Para marcar usamos la tabla mangle de iptables.

• Token Bucket: Mecanismo para limitar la tasa media de transferencia, permitiendo ráfagas hasta un tamaño máximo. Se puede dividir en:

  • CIR (Commited Information Rate): Tasa de Caudal Comprometido.

  • CBS (Commited Burst Size): Tamaño de Ráfaga Comprometido.

  • T (Time Interval)

TOS

En IPv4:

• Type of Service (8 bits): Para hacer calidad de servicios.

  • Precedencia (3 bits): prioridad, con ocho niveles en total. Mayor tiene más prioridad

  • Delay (D) (1 bit): Retardo mínimo.

  • Throughput (T) (1 bit): Máximo rendimiento.

  • Reliability (R) (1 bit): Máxima fiabilidad.

  • Cost (C) (1 bit): Mínimo costo.

  • Reserved (X) (1 bit): Bit reservado.

DSCP

Luego de ToS se redefinió el byte utilizado en ToS, dando origen a DSCP, tanto en IPV4 como en IPV6. Este nuevo campo consiste:

• Differenciated Service Code Point (DSCP) (6 bits): Indica el tratamiento que debe recibir el paquete.

• Explicit Congestion Notification (ECN) (2 bits): Permite a notificar a los extremos cuando hay congestión.

Marca los paquetes con una etiqueta y acuerda con los routers un tratamiento específico, sin reserva de recursos por flujo, ni protocolo de señalización, ni información de estado de routers. Las garantías de calidad de servicio no son tan estrictas como en IntServ, pero suelen ser suficientes.

Se denomina al comportamiento de reenvío asignado PHB (per hop behaviour). PHB determina la procedencia del paquete marcado en relación con otro tráfico del sistema con DiffServ, y luego decide si el sistema reenvía o descarta dicho paquete. Cada router con DiffServ aplica el mismo PHB al paquete.

Cada PHB consta de dos componentes:

• Una definición formal de comportamiento requerido

• Un sistema de marca recomendado para clasificar los paquetes

De los 6 bits utilizados en este campo para clasificar tráfico, se encuentran distintas clases:

• 111xxx: control de la red, precedencia 7

• 110xxx: control de la red, precedencia 6

• 101xxx: Expedited Forwarding, precedencia 5

• 100xxx: Assured Forwarding clase 4, precedencia 4

• 011xxx: Assured Forwarding clase 3, precedencia 3

• 010xxx: Assured Forwarding clase 2, precedencia 2

• 001xxx: Assured Forwarding clase 1, precedencia 1

• 000xxx: Best Effort, precedencia 0

Expedited Forwarding garantiza caudal, tasa de pérdida, jitter y retardo, equivale a una línea dedicada. Es como un acuerdo de SLA Assured Forwarding asegura un trato preferente pero sin dar garantías. Tiene 4 clases y en cada una hay tres probabilidades de descarte (alta, media y baja). Best Effort no tiene garantías.

• PHB: Per Hop Behavior. Lo que hace cada router. Los routers en conjunto son un dominio DiffServ.

IntServ

Se basa en la reserva previa de recursos en todo el trayecto. Para esto utiliza el protocolo RSVP (Resource reSerVation Protocol), que garantiza la QoS solicitada. De no haber recursos disponibles, se rechaza la petición, ejerciendo control de admisión o CAC (Connection Admission Control)

IntServ se desarrolló antes que DiffServ, pero lo mas utilizado es este último. Esto se debe a la capacidad de escalabilidad que tiene a diferencia de IntServ que tiene un gran consumo de recursos.

SLA

Service Level Agreement.

• Contrato entre usuario y operador de red.

• ITU-T E.860 define el marco? una estructura generica.

• Parametros posibles:

  • Disponibilidad: Se suele medir por porcentaje, cuantas horas por dia, cuantas horas seguidas, etc.

  • Ancho de banda.

  • Perdida de paquetes: Se suele medir por porcentaje. 1 de cada 100 o 10 de cada 1000.

  • RTT.

  • Jitter.

• La IPTF estableció la IPPM que hace estandares de medicion.

Control de tráfico en Linux

Explicación

Se utiliza la herramienta tc (Traffic Control), que permite trabajar con los paquetes entrantes o salientes. El manejo de paquetes entrantes es limitado y por ejemplo permite hacer Policing, pero en la salida permite más acciones como encolar paquetes, por eso solamente vemos control de tráfico a la salida.

Los qdiscs son algoritmos que controlan el tratamiento de los paquetes. Algunas qdiscs son sin clase, que simplemente realizan un tratamiento sobre los paquetes, por ejemplo una cola FIFO llamada PFIFO.

Otras qdisc tienen clases. Esto significa que pueden contener otras qdisc adentro. Por ejemplo si se quiere dar 5 niveles de prioridad se puede utilizar una qdisc padre llamada PRIO que clasifica los paquetes en 5 clases, en cada clase se debe ubicar una qdisc hija, entonces en este ejemplo se podrían tener 5 colas PFIFO en cada una de estas clases.

La mejor explicación la encontré en este sitio. Lo entendí viendo los dibujos de esa página. Más abajo copio y pego más explicaciones.

Desde man tc:

Qdiscs

  qdisc is short for 'queueing discipline' and it is elementary to
  understanding traffic control. Whenever the kernel needs to send a packet to
  an interface, it is enqueued to the qdisc configured for that interface.
  Immediately afterwards, the kernel tries to get as many packets as possible
  from the qdisc, for giving them to the network adaptor driver.

  A simple QDISC is the 'pfifo' one, which does no processing at all and is a
  pure First In, First Out queue. It does however store traffic when the
  network interface can't handle it momentarily.

Classes

  Some qdiscs can contain classes, which contain further qdiscs - traffic may
  then be enqueued in any of the inner qdiscs, which are within the classes.
  When the kernel tries to dequeue a packet from such a classful qdisc it can
  come from any of the classes. A qdisc may for example prioritize certain
  kinds of traffic by trying to dequeue from certain classes before others.

Filters

  A filter is used by a classful qdisc to determine in which class a packet
  will be enqueued. Whenever traffic arrives at a class with subclasses, it
  needs to be classified. Various methods may be employed to do so, one of
  these are the filters. All filters attached to the class are called, until
  one of them returns with a verdict. If no verdict was made, other criteria
  may be available. This differs per qdisc.

  It is important to notice that filters reside within qdiscs - they are not
  masters of what happens.

Sobre qdiscs, sacado de acá:

Simply put, a qdisc is a scheduler (Section 3.2). Other qdiscs available under Linux will rearrange the packets entering the scheduler’s queue in accordance with that scheduler’s rules.

The qdisc is the major building block on which all of Linux traffic control is built, and is also called a queuing discipline.

The classful qdiscs can contain classes, and provide a handle to which to attach filters. There is no prohibition on using a classful qdisc without child classes, although this will usually consume cycles and other system resources for no benefit.

The classless qdiscs can contain no classes, nor is it possible to attach filter to a classless qdisc. Because a classless qdisc contains no children of any kind, there is no utility to classifying. This means that no filter can be attached to a classless qdisc.

A source of terminology confusion is the usage of the terms root qdisc and ingress qdisc. These are not really queuing disciplines, but rather locations onto which traffic control structures can be attached for egress (outbound traffic) and ingress (inbound traffic).

Each interface contains both. The primary and more common is the egress qdisc, known as the root qdisc. It can contain any of the queuing disciplines (qdiscs) with potential classes and class structures. The overwhelming majority of documentation applies to the root qdisc and its children. Traffic transmitted on an interface traverses the egress or root qdisc.

For traffic accepted on an interface, the ingress qdisc is traversed. With its limited utility, it allows no child class to be created, and only exists as an object onto which a filter can be attached. For practical purposes, the ingress qdisc is merely a convenient object onto which to attach a policer to limit the amount of traffic accepted on a network interface.

In short, you can do much more with an egress qdisc because it contains a real qdisc and the full power of the traffic control system. An ingress qdisc can only support a policer. The remainder of the documentation will concern itself with traffic control structures attached to the root qdisc unless otherwise specified

Sobre clases, sacado de acá:

Classes only exist inside a classful qdisc (e.g., HTB and CBQ). Classes are immensely flexible and can always contain either multiple children classes or a single child qdisc. There is no prohibition against a class containing a classful qdisc itself, which facilitates tremendously complex traffic control scenarios.

Any class can also have an arbitrary number of filters attached to it, which allows the selection of a child class or the use of a filter to reclassify or drop traffic entering a particular class.

A leaf class is a terminal class in a qdisc. It contains a qdisc (default FIFO) and will never contain a child class. Any class which contains a child class is an inner class (or root class) and not a leaf class.

Colas

CIR

Por hacer

Es un buffer cicular? Supuestamente es policer?

EBS

Por hacer

No la encuentro?? Supuestamente es policer?

T

Por hacer

No la encuentro?? Supuestamente es policer?

pfifo

Classless.

FIFO significa que el primer paquete que entra es el primero en salir.

Ver man tc-pfifo:

They are the simplest queues possible and therefore have no overhead. pfifo
constrains the queue size as measured in packets. bfifo does so as measured
in bytes.

pfifo_fast

Classless.

Es la cola por defecto en Linux y Mikrotik. Es classless pero contienen tres colas en el caso que se quiera dar prioridades.

Ver man tc-pfifo_fast:

pfifo_fast is the default qdisc of each interface.

The algorithm is very similar to that of the classful tc-prio(8) qdisc.
pfifo_fast is like three tc-pfifo(8) queues side by side, where packets can
be enqueued in any of the three bands based on their Type of Service bits or
assigned priority.

Not all three bands are dequeued simultaneously - as long as lower bands have
traffic, higher bands are never dequeued. This can be used to prioritize
interactive traffic or penalize 'lowest cost' traffic.

Each band can be txqueuelen packets long, as configured with ifconfig(8) or
ip(8). Additional packets coming in are not enqueued but are instead dropped.

See tc-prio(8) for complete details on how TOS bits are translated into bands.

CBS

Classless.

De shaping.

Creo que nunca la usamos. Ver man tc-cbs:

The CBS (Credit Based Shaper) qdisc implements the shaping algorithm defined
by the IEEE 802.1Q-2014 Section 8.6.8.2, which applies a well defined rate
limiting method to the traffic.

This queueing discipline is intended to be used by TSN (Time Sensitive
Networking) applications, the CBS parameters are derived directly by what is
described by the Annex L of the IEEE 802.1Q-2014 Specification. The algorithm
and how it affects the latency are detailed there.

CBS is meant to be installed under another qdisc that maps packet flows to
traffic classes, one example is mqprio(8).

Tocken Bucket Filter

Classless.

Ver man tc-tbf:

The Token Bucket Filter is a classful queueing discipline available for
traffic control with the tc(8) command.

As the name implies, traffic is filtered based on the expenditure of tokens.
Tokens roughly correspond to bytes, with the additional constraint that each
packet consumes some tokens, no matter how small it is. This reflects the fact
that even a zero-sized packet occupies the link for some time.

tc qdisc add dev eth0 root tbf rate 220kbit latency 50ms burst 1540

SFQ

Classless.

Como la FIFO con bandas.

Ver man tc-sfq:

Stochastic Fairness Queueing is a classless queueing discipline available for
traffic control with the tc(8) command.

SFQ does not shape traffic but only schedules the transmission of packets,
based on 'flows'. The goal is to ensure fairness so that each flow is able to
send data in turn, thus preventing any single flow from drowning out the rest.

This may in fact have some effect in mitigating a Denial of Service attempt.

Ver SFQ en manual de Mikrotik:

Stochastic Fairness Queuing (SFQ) is ensured by hashing and round-robin algorithms. A traffic flow may be uniquely identified by a 4 options(src-address, dst-address, src-port and dst-port), so these parameters are used by SFQ hashing algorithm to classify packets into one of 1024 possible sub-streams. Then round-robin algorithm will start to distribute available bandwidth to all sub-streams, on each round giving sfq-allot bytes of traffic. The whole SFQ queue can contain 128 packets and there are 1024 sub-streams available.

SFQ is called «Stochastic» because it does not really allocate a queue for each flow, it has an algorithm which divides traffic over a limited number of queues (1024) using a hashing algorithm.

Nosotros ponemos que se reconfigure cada 10 segundos:

tc qudisc add dev ent0 root sfq perturb 10

PCQ

Classless.

Similar a SFQ pero solo para Mikrotik creo.

Ver PCQ en manual de Mikrotik:

Per Connection Queuing (PCQ) is a similar to SFQ, but it has additional features.

It is possible to choose flow identifiers (from dst-address | dst-port | src-address | src-port). For example if you classify flows by src-address on local interface (interface with your clients), each PCQ sub-stream will be one particular client’s upload.

It is possible to assign speed limitation to sub-streams with pcq-rate option. If pcq-rate=0 sub-streams will divide available traffic equally.

PCQ was introduced to optimize massive QoS systems, where most of the queues are exactly the same for different sub-streams. For example a sub-stream can be download or upload for one particular client (IP) or connection to server.

PCQ algorithm is very simple - at first it uses selected classifiers to distinguish one sub-stream from another, then applies individual FIFO queue size and limitation on every sub-stream, then groups all sub-streams together and applies global queue size and limitation.

PRIO

Classful.

Es como pfifo_fast que ordena paquetes en solamente 3 bandas.

Hay que tener cuidado de que la suma de las hijas no sea mayor a la de arriba, porque en tal caso deja de andar y es como que no limita nada, pasa todo de largo.

Ver man tc-prio:

The PRIO qdisc is a simple classful queueing discipline that contains an
arbitrary number of classes of differing priority. The classes are dequeued in
numerical descending order of priority. PRIO is a scheduler and never delays
packets - it is a work-conserving qdisc, though the qdiscs contained in the
classes may not be.

Very useful for lowering latency when there is no need for slowing down traffic.

On creation with 'tc qdisc add', a fixed number of bands is created. Each band
is a class, although is not possible to add classes with 'tc qdisc add', the
number of bands to be created must instead be specified on the command line
attaching PRIO to its root.

When dequeueing, band 0 is tried first and only if it did not deliver a packet
does PRIO try band 1, and so onwards. Maximum reliability packets should
therefore go to band 0, minimum delay to band 1 and the rest to band 2.

As the PRIO qdisc itself will have minor number 0, band 0 is actually major:1,
band 1 is major:2, etc. For major, substitute the major number assigned to the
qdisc on 'tc qdisc add' with the handle parameter.

CBQ

Classful.

Permite prestar trafico a otra rama cuando no lo usa, creo que es el único que deja hacer eso de las que vemos, pero hay otras variaciones. Muy dificil de configurar, hay que hacer cuentas.

Es como la prio pero hace un round robin con pesos que se van calculando dinamicamene que se yo.

Ver man tc-cbq:

Class Based Queueing is a classful qdisc that implements a rich linksharing
hierarchy of classes. It contains shaping elements as well as prioritizing
capabilities. Shaping is performed using link idle time calculations based on
the timing of dequeue events and underlying link bandwidth.

HTB

Classful.

Token Bucket Filter con prioridades.

Ver man tc-htb:

HTB is meant as a more understandable and intuitive replacement for the CBQ
qdisc in Linux. Both CBQ and HTB help you to control the use of the outbound
bandwidth on a given link.

Both allow you to use one physical link to simulate several slower links and to
send different kinds of traffic on different simulated links. In both cases, you
have to specify how to divide the physical link into simulated links and how to
decide which simulated link to use for a given packet to be sent.

Unlike CBQ, HTB shapes traffic based on the Token Bucket Filter algorithm which
does not depend on interface characteristics and so does not need to know the
underlying bandwidth of
the outgoing interface.

Referencias

• https://www.tldp.org/HOWTO/Traffic-Control-HOWTO/components.html#c-qdisc