Aun cuando las comunicaciones extremo a extremo tienen lugar utilizando el protocolo IP, en un escenario heterogéneo pueden existir diferentes mecanismos y políticas de calidad de servicio para los distintos dominios involucrados en la comunicación. En el escenario planteado en este trabajo el tráfico de una red TCP/IP va a atravesar un segmento WiMAX para unir dominios cableados. En estos dominios fuera de WiMAX la arquitectura DiffServ se puede identificar como la más adecuada para la provisión de calidad de servicio, principalmente por su simplicidad y su escalabilidad. El segmento WiMAX, ofrece de forma nativa diferenciación de tráfico con sus propios mecanismos. Cuando el tráfico procedente de los dominios externos entra en el segmento WiMAX, se produce un conflicto al no existir una correspondencia uno a uno entre las clases de tráfico DiffServ y las que ofrece WiMAX. En este artículo se va a hacer una revisión de los mecanismos que utilizan DiffServ y WiMAX para aplicar calidad de servicio para posteriormente proponer una solución que permita el envío de tráfico DiffServ sobre redes WiMAX, de manera que la calidad de servicio sea la requerida por el usuario final.

1. Mapeo de Calidad de
Servicio entre redes
DiffServ y WiMAX
Carlos Baladrón Zorita
Universidad de Valladolid
cbalzor@ribera.tel.uva.es

2. Índice
• Introducción
• Modelo DiffServ
• Calidad de Servicio en WiMAX
• Mapeo de Tráfico Interdominios
• Escenarios y Resultados
• Conclusiones

3. Introducción

4. Introducción
• La aparición en Internet de nuevos sistemas de comunicaciones con
requerimientos especiales de calidad de servicio (QoS, Quality of Service)
hace que surjan mecanismos (como Diffserv) capaces de garantizar al
usuario servicios con un nivel de calidad determinado.
• La aparición de nuevas redes de acceso como WiMAX con mecanismos de
QoS nativos hace necesaria una adaptación del tráfico que proviene de
dominios externos.
• En ocasiones los paquetes IP (a los que se aplica DiffServ) tienen que pasar
por redes WiMAX sin que disminuya la QoS.
• Como los mecanismos de DiffServ son diferentes a los de redes WiMAX,
en el momento de transición entre redes se hace necesario un mapeo de
tráfico.
• En este trabajo, realizado dentro del proyecto WIMSAT (Convergencia de
WiMAX, IMS y Satélite), se ha modelado el mapeo de tráfico entre clases
DiffServ y WiMAX, y cuantificado el impacto de dicho mapeo en el tráfico
asociado a los perfiles identificados para el sistema WIMSAT.

5. Modelo DiffServ

6. Modelo DiffServ
• DiffServ se basa en ofrecer un tratamiento diferente a los distintos tipos
de paquetes en función de la clase a la que pertenecen.
– En los nodos de borde se lleva a cabo una clasificación del tráfico en varias clases
marcándolos mediante el campo de cabecera IP Differentiated Services Code Point
(DSCP).
– En los nodos intermedios de la red se lee el campo DSCP y en función de la clase
identificada para cada paquete éste es tratado de la forma adecuada, otorgando más
recursos a las clases de mayor prioridad.
• Generalmente para cada clase se define un Per Hop Behaviour (PHB),
logrando la diferenciación de las clases de servicio:
– PHB EF (Expedited Forwarding PHB): se corresponde con el tráfico de más alta
prioridad. Se pretende que los paquetes encuentren colas muy cortas y su procesado
sea independiente del tráfico no EF.
– PHB AF (Assured Forwarding PHB): ofrece diferentes niveles de garantía de reenvío,
mediante ciertas cantidades de recursos garantizados (buffer y ancho de banda). La
prioridad de descarte determina la importancia del paquete dentro de la clase AF en el
caso de congestión.
– PHB BE (Best Effort PHB): se sirve sin ningún tipo de garantía. Los paquetes se envían
sólo cuando exista ancho de banda no utilizado por otro PHB.

7. Calidad de Servicio en WiMAX

8. Calidad de Servicio en WiMAX
• En la capa MAC, la QoS es proporcionada mediante flujos de servicio.
– Antes de llevar a cabo cualquier tipo de servicio, la estación base (BS) y el terminal del
usuario establecen un enlace unidireccional entre las capas MAC llamado conexión. La
capa MAC entonces asocia paquetes que atraviesan la interfaz MAC con un flujo de
servicio para ser entregado en la conexión.
– Los parámetros de QoS asociados con el flujo de servicio definen la clasificación de la
transmisión y la asignación en la interfaz aire, que es habitualmente el cuello de botella.
Las conexiones orientadas de QoS pueden habilitar el control punto a punto de la QoS.
Los parámetros del flujo de servicio se tratan dinámicamente a través de mensajes MAC
para amoldarse a la demanda de servicios de manera dinámica. Los flujos de servicios
están basados en el mecanismo QoS y se aplican en ambos sentidos DL y UL.
• WiMAX se optimiza dinámicamente para el tipo de tráfico que se está
transportando, soportando cuatro tipos de servicios diferentes:
– UGS (Unsolicited Grant Service): Soporta flujos de servicio en tiempo real con paquetes
de datos de tamaño fijo en períodos constantes. Este servicio ofrece asignaciones de
tamaño fijo en tiempo real y en períodos constantes, eliminando la necesidad de
realizar solicitudes de ancho de banda por parte de la estación suscriptora (SS). La BS
provee estas reservas en base a la máxima tasa de tráfico sostenida del flujo de servicio.
Para que este servicio funcione correctamente, la SS tiene prohibido usar los períodos
de contención para realizar solicitudes de ancho de banda.

9. Calidad de Servicio en WiMAX
– rtPS (Real Time Polling Service): Está diseñado para soportar flujos de servicio en
tiempo real, que transportan paquetes de datos de tamaño variable. La BS proporciona
periódicamente oportunidades unicast para transmitir las solicitudes de ancho de
banda, conociendo las necesidades de los flujos de servicio en tiempo real y permite a
las SS especificar el tamaño de las reservas deseadas. La SS realiza continuas solicitudes
de ancho de banda, provocando mayor gasto de recursos en las solicitudes, pero tiene
la ventaja de soportar tamaños variables de reserva, para un óptimo y eficiente
transporte de datos. Con el propósito de que este servicio funcione correctamente, la SS
tiene prohibido usar cualquier período de contención para realizar solicitudes de ancho
de banda para su conexión.
– nrtPS (Not Real time Polling Service): Este tipo de servicio encuesta regularmente a la
SS para asegurarse que sus flujos de servicio reciban oportunidades de transmitir
solicitudes de ancho de banda. La BS encuesta las conexiones con servicio nrtPS, en
intervalos inferiores al segundo y proporciona oportunidades unicast para realizar
solicitudes de ancho de banda. Con el fin de que este servicio funcione de forma
correcta, la política de solicitud/transmisión debe ser tal, que la SS puede usar los
períodos de contención para enviar solicitudes de ancho de banda.
– BE (Best Effort): En este caso, la SS tiene permitido usar cualquier oportunidad de
transmitir una solicitud de ancho de banda en el período de contención. A consecuencia
de esto, la SS puede utilizar oportunidades unicast y los períodos de contención, para
enviar sus solicitudes de ancho de banda.

10. Mapeo de Tráfico Interdominios

11. Mapeo de Tráfico Interdominios
• Para un correcto mapeo entre los dominios DiffServ y WiMAX es necesario
mapear las clases definidas en DiffServ sobre la capa MAC 802.16.

12. Escenarios y Resultados

13. Escenarios y Resultados
• El escenario que se plantea, consiste en la creación de una red híbrida, en
la cual se envíe tráfico IP DiffServ con su correspondiente clasificación de
clases de calidad de servicio, y este tráfico sea recibido en el dominio
WiMAX, ubicado al otro extremo de la red, conservando una política de
prioridades similar para cada tipo de tráfico enviado. Es decir, el objetivo
perseguido es que los requerimientos de QoS de cada tipo de datos, sigan
vigentes al pasar del dominio DiffServ al dominio WiMAX.
– Implementación OPNET Modeler.
– Configuración: El escenario que se plantea consta de una red IP DiffServ y una red
WiMAX, separadas mediante un nodo intermedio.
FIF
O WFQ
PQ
FIFO

14. Escenarios y Resultados
• Simulación con carga baja
– Un flujo de 1.000 paquetes por segundo enviado desde la estación “Bronze”, que
representa al flujo de menor prioridad y es tratado como BE.
– Otro flujo de 2.000 paquetes por segundo enviado desde la estación “Silver que es
tratado como AF31 y representa una prioridad media.
– Un último flujo de 3.000 paquetes por segundo enviado desde la estación “Gold”,
tratado como EF, que representa la más alta prioridad.
• El tráfico IP DiffServ enviado por las
estaciones emisoras, es recibido
correctamente al otro extremo de la red
por las estaciones receptoras WiMAX.
Esto indica que la red ha sido
correctamente configurada, y tal y como
era de esperar, que en condiciones de
baja carga, la totalidad del tráfico enviado
se recibe correctamente.

15. Escenarios y Resultados
• Simulación con carga alta
– Un flujo de 60.000 paquetes por segundo enviado desde la estación “Bronze”, que
representa al flujo de menor prioridad y es tratado como BE.
– Otro flujo de 60.000 paquetes por segundo enviado desde la estación “Silver que es
tratado como AF31 y representa una prioridad media.
– Un último flujo de 60.000 paquetes por segundo enviado desde la estación “Gold”,
tratado como EF, que representa la más alta prioridad.
• El tráfico “Gold” ha llegado a su destino sin
problemas.
• El tráfico “Bronze”, ha sufrido notables
pérdidas, recibiendo tan sólo 45.000 paquetes
por segundo de los 60.000 enviados.
• El tráfico “Silver”, ha obtenido una respuesta
muy buena, ligeramente peor que la del tráfico
“Gold” (retardo mayor).

16. Escenarios y Resultados
• Comportamiento obtenido para el
Planificador y la Estación Base WiMAX:
• El Planificador recibe la totalidad del tráfico
enviado, sin embargo, se ve obligado a
descartar algunos paquetes, de modo que
finalmente tan sólo envía algo más de
150.000 paquetes por segundo a la Estación
Base WiMAX. Ésta por su parte, descarta
también una mínima parte de paquetes
como puede apreciarse en el hecho de que la
media de la curva roja se halla ligeramente
por debajo de la azul oscuro. tráfico “Gold”
ha llegado a su destino sin problemas.
• El tráfico “Gold” es el que ha gozado de
mayor prioridad y ha sufrido menos pérdidas.
El tráfico “Bronze” pierde casi el 50% de los
paquetes.
• El planificador lleva a cabo el mapeo de
paquetes, ya que sus perdidas son mayores
que las de la Estación Base WiMAX.

17. Conclusiones

18. Conclusiones
• El tráfico IP de Internet circula por distintos tipo de redes, con diferente
clasificación de los distintos tipos de servicio, lo que requiere de un
mapeo entre dominios para que el usuario no perciba estos cambios y la
QoS que reciba sea la esperada.
• Se propone un sistema de mapeo entre las distintas clases de servicio
DiffServ y WiMAX que se ha modelado y simulado en la herramienta
OPNET Modeler demostrando que el tráfico llega al dominio WiMAX
conservando las prioridades asignadas inicialmente en la red DiffServ.
• La arquitectura propuesta permite la introducción de algoritmos de
control de QoS en comunicaciones que incluyen un segmento WiMAX. Un
operador que contara por ejemplo con un conjunto de abonados premium
o con un servicio específico de garantía de recursos sería capaz de ofertar
dicho servicio a usuarios conectados a través de WiMAX, mientras que sin
dicha solución, al no ser posible la integración de reservas de recursos, no
sería posible garantizar la calidad extremo a extremo ya que el tramo
WiMAX sólo podría ofrecer un servicio best effort.

19. Mapeo de Calidad de
Servicio entre redes
DiffServ y WiMAX
Carlos Baladrón Zorita
Universidad de Valladolid
cbalzor@ribera.tel.uva.es
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