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• Jaime Tamayo

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IEEE 802.1p: Protocolo para priorización de tráfico, QoS/CoS para capa 2 en LAN

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Contenido .....................................................................................................................................................1 Descripción...................................................................................................................................3 Estructura del Protocolo ..............................................................................................................3 Prioridad del usuario y prioridad de acceso .................................................................................5 Clases de tráfico ...........................................................................................................................6 Prioridad de usuario .................................................................................................................7 Prioridad de acceso ..................................................................................................................7 Clase de tráfico .........................................................................................................................7 Asignación de la prioridad de usuario a la clase de tráfico ...........................................................8 Tráfico de internet con calidad de servicio.................................................................................11 Bibliografía .................................................................................................................................12

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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL TELEMATICA I TEMA: IEEE 802.1p: Protocolo para priorización de tráfico, QoS/CoS para capa 2 en LAN

Descripción La especificación IEEE 802.1p permite a switches de capa 2 priorizar tráfico y realizar filtración multicast dinámica. La especificación de priorización trabaja en el entramado de la capa de control de acceso al medio (MAC) (capa 2 en el modelo OSI). Este estándar también ofrece provisiones para filtrar tráfico multicast para asegurar que no prolifere sobre redes de conmutación de capa 2. El encabezado del estándar 802.1p incluye un campo de 3 bits para priorización, que también permite a los paquetes ser agrupados en varias clases de tráfico. La IEEE ha hecho amplias recomendaciones concernientes a cómo los administradores de red pueden implementar estas clases de tráfico. Puede también ser definido como el QoS (Quality of Service) del mejor esfuerzo o CoS (Clase de Servicio) en capa 2 y es implementado en adaptadores de red y switches sin envolver ninguna reserva de configuración. El tráfico de 802.1p es simplemente clasificado y enviado al destino, sin que reservas de banda ancha sean establecidas. IEEE 802.1p es una extensión del estándar IEEE 802.1Q, y los dos estándares trabajan en conjunto. El 802.1Q especifica un tag que depende de una trama MAC Ethernet. El tag VLAN tiene dos partes: la VLAN ID (12 bits) y priorización (3 bits). El campo de priorización no fue definido y usado en el estándar VLAN 802.1Q. El 802.1p define este campo de priorización. IEEE 802.1p establece 8 niveles de prioridad. Sin embargo, los administradores de red deben determinar estas asignaciones. IEEE ha hecho amplias recomendaciones. La prioridad más alta es 7, que puede ir a un tráfico crítico de red como la actualización de tablas pertenecientes al Protocolo de Información de Ruteo (RIP) o la información de topologías de OSPF. Valores 5 y 6 pueden ser para aplicaciones sensibles al retardo como video y voz interactiva. Datos de clase 4 hasta 1 para aplicaciones de carga controlado como un streaming multimedia y tráfico crítico de negocios (datos SAP). El valor cero es usado como un default de mejor esfuerzo, colocado automáticamente cuando ningún otro valor ha sido configurado.

Estructura del Protocolo La trama IEEE 802.1Q tiene un formato modificado de la trama Ethernet (802.3):

Figura 1. Trama de 802.1Q

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Preámbulo (Pre): 7 bytes. El Pre es un patrón alternativo de unos y ceros que dice a las estaciones de llegada que una trama se aproxima, y que provee una forma de sincronismo de las porciones recibidas de trama a la recepción de las capas físicas con el flujo de bits entrante. Delimitador de inicio de trama (SFD): 1 byte. La SFD es un patrón alternativo de unos y ceros, terminando con dos bits consecutivos 1 indicando que el siguiente bit es el bit menos significativo del byte menos significativo de la dirección de destino. Dirección de destino (DA): 6 bytes. El campo DA identifica qué estación (o estaciones) deberían recibir la trama. Dirección de origen (SA): 6 bytes. El campo SA identifica la estación origen. TPID: Valor definido de 8100 en hexadecimal. Cuando una trama tiene el EtherType igual a 8100, esta trama lleva el tag IEEE 802.1Q/802.1p TCI (Tag Control Information): Campo de información de control de tag que incluye prioridad del usuario, indicador de formato canónico y VLAN ID.

Figura 2. Estructura del TCI Prioridad del Usuario: Define la prioridad del usuario, dado 8 niveles de prioridad. IEEE 802.1p define la operación para estos 3 bits de prioridad de usuario. CFI: Indicador de formato canónico que siempre es colocado en cero para switches Ethernet. El CFI es usado por razones de compatibilidad entre una red tipo Ethernet y una red tipo Token Ring. Si una trama recibida en un puerto Ethernet tiene el CFI colocado en uno, entonces esa trama no debería ser reenviada por un puerto sin etiquetar. VID: VLAN ID, es la identificación de la VLAN, que es básicamente usada por el estándar 802.1Q. Tiene 12 bits y permite la identificación de 4096 (212 ) VLANs. De las 4096 posibles VIDs, una VID de 0 es usada para identificar las tramas de prioridad y un valor de 4095 (FFF) es reservado, de tal forma que las configuraciones máximas posibles de VLAN es 4094. Longitud/Tipo: 2 bytes. Este campo indica el número de bytes de datos del cliente MAC que están contenidos en el campo de datos de la trama, o la ID del tipo de trama si la trama es ensamblada usando un formato opcional. Datos: Es una secuencia de n bytes (42 ≤ 𝑛 ≤ 1496) de cualquier valor. La mínima trama total es 64 bytes. Secuencia de chequeo de trama (Frame Check Sequence FCS): 4 bytes. Esta secuencia contiene un valor de redundancia cíclica (CRC) de 32 bits, que es creado por la MAC enviada y es recalculada por la MAC recibida para un chequeo de tramas dañadas. [1]

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Una configuración de la red en las instalaciones de una organización típica tiene múltiples redes de Área Local (LANs) conectadas por puentes (bridges) o por switches de capa 2. Las LANs pueden ser todas de un solo tipo (por ejemplo, Ethernet) o puedes mezcladas de diferentes tipos (por ejemplo, Ethernet, Token Ring, Wireless). En cualquier caso, la cuestión de la Calidad de Servicio (Quality of Service) se presenta. [2]

Prioridad del usuario y prioridad de acceso El primer intento para tratar de hacer frente el QoS de una LAN de una forma estandarizada aparece en la versión original de IEEE 802.1D, que es una especificación que define la arquitectura de protocolo para bridges y switches de capa 2, que operan a nivel de MAC. IEEE 802.1D trata con la interconexión de LANs con el mismo protocolo MAC y con LANs con diferentes protocolos MAC. Además, para pasar las tramas MAC que vienen de una LAN a otra, cruzan el bridge, y este tiene la capacidad de pasar parámetros del software que controla el puerto de llegada al software que controla el puerto de salida. Dos de estos parámetros son la prioridad del usuario (user_priority) y la prioridad de acceso (access_priority). Estos parámetros se relacionan con el problema de cómo manejar prioridades. En el caso de IEEE 802.3 (Ethernet) y 802.11 (Wireless LAN), la prioridad no se maneja. Otros tipos de LAN 802 manejan hasta 8 niveles de prioridad. El valor del user_priority provisto a la entidad de la capa MAC en el puerto de llegada se deriva de la trama MAC de llegada; en el caso de una trama de llegada sin valor de prioridad, un valor de inespecífico (unspecified) es usado. El valor de user_priority emitido a la entidad MAC en el puerto de salida se va a colocar en la trama MAC de salida para los tipos de LAN que proporcionan un campo de prioridad. El access_priority se refiere a la prioridad usada por un bridge MAC para acceder a una LAN para transmisión de tramas. No se quisiera que el valor de access_priority sea igual al de user_priority por algunas razones: -

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Una trama que debe ir a través de un bridge ya ha sufrido más retardo que una trama que no ha traspasado un bridge, por lo tanto, se desearía dar a tal trama una prioridad de acceso más alta que la prioridad de usuario que esta posee. Es importante que un bridge no se convierta en un cuello de botella. Por lo tanto, se desearía dar a todas las tramas que atraviesan el bridge una prioridad relativamente alta.

Las reglas para el manejo de prioridades ahora pueden ser resumidas. La prioridad de usuario está determinada a partir del campo de prioridad de la trama de llegada y puesta en el campo de prioridad de la trama saliente. Las prioridades no son usadas para transmitir tramas MAC 802.3 y 802.11, y las tramas por si mismas no tienen campo de prioridad. Por lo tanto, si la trama de salida es 802.3 u 802.11, cualquier campo de prioridad a la llegada (de una trama que tiene tal campo) es ignorado. Si la trama de llegada es 802.3 u 802.11 y la trama de salida requiere un campo de prioridad, entonces en el campo de prioridad en la trama de salida se coloca un valor por defecto de user_priority. Si ambas tramas de llegada y de salida llevan un campo de prioridad, entonces este campo en la trama MAC de salida se coloca el mismo campo de prioridad que la trama MAC de llegada tuvo. La prioridad de acceso es también determinada a partir del campo de prioridad de la trama de llegada. Para tramas de llegada 802.3 y 802.11, se tendrá un valor de user_priority de cero (valor por defecto). La tabla 1 muestra las prioridades de acceso asignadas a las tramas MAC de salida para cada uno de los tipos de LAN, como una función del valor de prioridad del usuario a la llegada. pág. 5

Para 802.3 y 802.11, no hay mecanismos de prioridad de acceso y, por lo tanto, un valor de prioridad de cero es usado. Para 802.4 y 802.6, hay 8 niveles disponibles de prioridades de acceso, así que la prioridad de usuario de llegada es asignada a la prioridad de acceso de salida, usando igualdad. IEEE 802.12 permite solo dos niveles de prioridad; la mitad de los valores posibles de prioridades de usuario son asignados en cada uno de estos niveles. Para los dos tipos de Token Ring (802.5 y FDDI) a pesar de que los 8 niveles de prioridad están disponibles, la prioridad más alta (7) no es usada en el reenvío en bridges. La razón de esta restricción es que el protocolo de token passing reserva la prioridad 7 para su uso en tramas de transmisión necesitadas para administrar el proceso de token passing, como la recuperación de una trama perdida.

Tabla 1. Prioridades de acceso a la salida

Clases de tráfico Estas reglas, resumidas en la tabla 1, son efectivas en comunicar una solicitud de prioridad por un usuario y para obtener acceso a una LAN en contienda con otros dispositivos que también quieren transmitir en esa LAN. Sin embargo, las reglas no proveen directamente una guía concerniente a una prioridad relativa con que las tramas necesitan ser manejadas por un bridge. Por ejemplo, considere un bridge conectado a Token Ring en un lado y Ethernet en otro lado, y suponga que el bridge recibe una gran cantidad de tráfico de Token Ring de modo que un número de tramas se almacenan esperando ser transmitidas sobre la Ethernet. ¿Debería el pág. 6

bridge transmitir estas tramas en el orden en que fueron recibidas o debería el bridge tomar en cuenta la prioridad del usuario de todas las tramas almacenadas y determinar cuál trama transmitir después? La consideración de este problema llevó al diseño de un nuevo concepto, clase de tráfico, que es incorporado en la versión de IEEE 802.1D. Este nuevo material es a veces referido como 802.1p. Esta fue la designación cuando el estándar de Clase de Tráfico era todavía un borrador (draft). En el esquema 802, una letra minúscula se refiere a un suplemento de un estándar existente y una letra mayúscula se refiere al estándar base. Además, 802.1D es el estándar base que define operaciones de bridges, y 802.1p es un suplemento de una versión temprana de 802.1D. Con la publicación de la versión de 1998, el suplemento de Clase de Tráfico fue incorporado en la 802.1D y la designación de 802.1p ya no es usada. El objetivo de la adición de clase de tráfico a 802.1D es para permitir que switches de capa 2 y bridges soporten tráfico de tiempo crítico, como efectivamente es voz y video. La versión de IEEE 802.1D distingue 3 conceptos: Prioridad de usuario: La prioridad de usuario es un valor llevado por la trama que comunica la solicitud de prioridad a los nodos intermedios (bridges y dispositivos terminales). Típicamente, la prioridad de usuario no es modificada cuando se transita a través de bridges, a menos que se necesita una asignación para el uso de un número diferente de niveles de prioridad por diferentes tipos MAC. Por lo tanto, la prioridad de usuario tiene un significado de extremo a extremo a través de redes de área local puenteadas. Prioridad de acceso: La prioridad de acceso es usada en LANs que soportan prioridad, para compartir por el acceso a una LAN compartida con tramas de otros dispositivos (dispositivos terminales u otros bridges) adjunta a la misma LAN. Por ejemplo, la disciplina de token-passing en una red Token Ring permite que tramas de una prioridad más alta obtener acceso al anillo sobre trama de prioridades más bajas cuando tramas que vienen de múltiples estaciones esperan por ganar el acceso. Cuando ambas, las LAN de llegada y de salida son del mismo tipo de MAC, el bridge asigna una prioridad de acceso igual a la prioridad del usuario a la llegada. De otra forma, el bridge debe realizar una asignación como se definió en la Tabla 1. Clase de tráfico: Un bridge puede ser configurado de tal forma que múltiples colas se usen para mantener las tramas que están esperando ser transmitidas por un puerto de salida, en cuyo caso la clase de tráfico es usado para determinar la prioridad relativa de las colas. Las tramas en espera que tiene una alta clase de tráfico son transmitidas antes que otras tramas con una clase tráfico menor. Al igual que la prioridad de acceso, la clase de tráfico es asignada por el bridge en base a la prioridad de usuario a la llegada. La importancia de las clases de tráfico puede ser vista reconociendo que una trama experimenta dos tipos de retardo en un bridge: -

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Retardo de cola: El tiempo en que una trama espera hasta que llega a ser la primera en la línea de transmisión en el puerto de salida. Este retardo es determinado por la disciplina de cola usada por el bridge. El esquema más simple es FIFO (first-in first-out). Las clases de tráfico permiten esquemas más sofisticados. Retardo de acceso: El retardo que una trama experimenta esperando obtener un permiso para transmitir en la LAN, en competencia con tramas de otras estaciones adjuntas a la misma LAN. Este retardo es determinado por el protocolo MAC usado (por ejemplo, Token Ring, CSMA/CD).

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El retardo total experimentado por una trama en un puente es la suma de su retardo de cola y su retardo de acceso. La figura 3 muestra el mecanismo usado para soportar clases de tráfico en un bridge. Un bridge puede soportar hasta 8 clases de tráfico diferentes, de cualquier puerto de salida implementando hasta 8 colas distintas, o buffers, para ese puerto. Un valor de clase de tráfico es asociado con cada cola, con un rango de bajo (0) a alto (N-1), donde N es el número de clases de tráfico asociadas con un puerto de salida dado (N