Optimización WAN de Silver Peak: ¿Qué tal la Calidad de Servicio (QoS)?

Introducción

Pensar en la Optimización de WAN con las técnicas explicadas en anteriores artículos, Network Memory, Network Integrity y Network Acceleration podría ser suficiente en ciertos contextos donde no exista competencia por el uso del canal y el ancho de banda. Tal es el caso, por ejemplo, de los enlaces WAN dedicados para replicación y respaldo de datos. Para las partes de la red que den soporte a diferentes tipos de aplicaciones que requieran diferenciación en los niveles de servicio, las conocidas técnicas de Calidad de Servicio (Quality of Service, QoS) serán necesarias, independientemente de la incorporación o no de las soluciones de Optimización.

En este artículo se hace un breve repaso de las estrategias de QoS tradicionales en la redes IP y cómo éstas se combinan con la arquitectura de soluciones de Silver Peak para Optimización de WAN.

Revisión de los conceptos de QoS

El concepto de Calidad de Servicio (QoS) en redes de comunicaciones se refiere a la posibilidad de clasificar los tipos de tráfico que se manejan en la red, y darles un trato diferenciado de acuerdo a su naturaleza o las prioridades que se le puedan dar en la configuración. El tráfico entonces se clasifica de acuerdo a diferentes criterios y se aplican políticas para su tratamiento a nivel local en los dispositivos de redes.

En una situación de congestión en la red, el dispositivo podría verse en la necesidad de ejecutar acciones con los paquetes correspondientes a los diferentes tipos de tráfico, dependiendo de la prioridad programada. Por ejemplo:

• Las clases de tráfico de mayor prioridad pueden recibir un tratamiento especial y tomar medidas para evitar pérdidas de paquetes por la congestión.
• Los paquetes de las clases de tráfico de menor prioridad podrían ser descartados si no se encuentra suficiente capacidad en la red para su transmisión, dejando el camino libre para los paquetes del tráfico de mayor prioridad.

En la Figura 1 se ilustra un esquema típico de QoS con los parámetros que se toman en cuenta para su configuración, gestión y funcionamiento. A continuación se describen dichos parámetros:

• MAX AB WAN: Máximo Ancho de Banda disponible de la interfaz WAN. Es el ancho de banda que se dispone para repartir entre las diferentes clases de tráfico.
• CTn: Clase de Tráfico número n. Se identifican cada una de las clases de tráficos que se manejarán en el esquema. Cada CT tiene a su vez los siguientes parámetros intrínsecos:
  • Prioridad – Define el nivel de prioridad para la transmisión, en relación con el resto de clases.
  • Peso – Es una ponderación que se aplica a la CT, por ejemplo, en situaciones donde se compite por accesos o recursos de la red, y el sistema debe decidir a qué clases se asignan los recursos y en qué cantidades.
  • Min AB – Mínimo Ancho de Banda asegurado para entregar a la CT.
  • Max AB – Máximo Ancho de Banda permitido para usar por la CT.
  • Max Espera – Máximo tiempo de espera configurado para que un paquete de una CT específica esté en un buffer de transmisión.

Figura 1: Esquema y parámetros típicos de QoS

Configurando adecuadamente estos parámetros para cada clase de tráfico definida, se puede obtener una red en la que, por ejemplo, se asegure condiciones para el tráfico de voz sobre IP (VoIP), el cual es un tráfico de tiempo real, que no tolera retardos, altas tasas de pérdidas de paquetes, y requiere una tasa de bits constante. Como sabemos, en redes como IP, que no son orientadas a conexión y no poseen mecanismos de reserva de recursos per se, el control de este tipo de parámetros es importante, al menos a nivel de los dispositivos locales. Como veremos más adelante, existen diferentes estrategias para mantener estos parámetros de tráfico dentro de los niveles deseados para las aplicaciones, siendo las más comunes las estrategias basadas en colas con diferentes prioridades.

La plataforma y dispositivos de Silver Peak^TM para Optimización de WAN disponen las funcionalidades para configuración de QoS, resaltando los siguientes beneficios:

• Facilidad de gestión
• Gran visibilidad al tráfico del lado de LAN
• Reportes informativos
• QoS integrada en las diferentes características de optimización de los appliances

Traffic Shaper

Un elemento importante en la arquitectura de configuración y gestión de QoS es el llamado Traffic Shaper (TS). Este componente de encarga de ejecutar las políticas de QoS que se programen para las diferentes clases de tráfico.

La configuración de las clases de tráfico determina cómo los paquetes reconocidos obtendrán los recursos de red (como el ancho de banda) en cualquier momento. El TS es quien se encarga de realizar este trabajo, colocando dichos paquetes en el canal de acuerdo a su prioridad, y demás parámetros de QoS descritos.

En el caso específico de Silver Peak, en la versión 6.2 se puede tener un solo TS para la única interfaz WAN disponible. Cada TS puede tener asociadas hasta 10 clases de tráfico. A partir de la versión 7.0, por cada interfaz WAN se pueden tener hasta 8 TS.

En la Figura 2 se puede observar la configuración por defecto de un TS en un dispositivo Silver Peak en el que se ha especificado un ancho de banda máximo de 1Gbps (Max Bandwidth 1.000.000 Kbps). Se tienen por defecto 4 CT: default, real-time, interactive y best-effort. Por ejemplo, enfocándonos en la CT real-time, se observa que esta clase viene precargada con la máxima prioridad (Priority 1), con lo que se le dará preferencia a los paquetes pertenecientes a esta clase, especialmente en una situación de congestión. Para esta misma clase, se observa un mínimo ancho de banda del 30% (Min Bandwidth 30) y un máximo del 100% en relación al máximo ancho de banda disponible. Esto quiere decir que, en una situación de congestión en la red, al menos 300 Mbps (30% del máximo) se reservan para los flujos o paquetes pertenecientes a esta clase de tráfico, mientras que en una situación de baja congestión, esta clase podría intentar tomar hasta el 100% de ancho de banda si el mismo es requerido y está disponible. Además, para esta clase real-time se observa el menor tiempo de espera máximo de entre todas las clases definidas (Max Wait Time 100 ms). El tiempo en que un paquete ha estado en la cola es examinado por el planificador de transmisión, y si el Max Wait Time es excedido, el paquete es descartado.  Finalmente, una explicación sobre el parámetro de ponderación para exceso (Excess Weighting): La sumatoria para las cuatro clases da 100+1000+1000+100 = 2200; en caso de disponer de ancho de banda desocupado, y requerirse más del mínimo programado, la repartición de ese ancho de banda sobrante se haría de la siguiente manera para este ejemplo: 100/2200 = 4,5% del sobrante para default y best-effort; 1000/2200 = 45,5% para real-time e interactive.

Figura 2: Configuración por defecto de las CTs en el Traffic Shaper Silver Peak.

Funcionalidades de QoS en la Solución Silver Peak WAN Opt

En los siguientes apartados se describen las funcionalidades específicas disponibles en la plataforma de Silver Peak para la implementación de QoS en combinación con las soluciones de Optimización de WAN.

Templates para Políticas de QoS

Los templates para políticas de QoS definen a qué Clase de Tráfico se dirigen los paquetes que se están transmitiendo.  Se trabaja con la configuración del Traffic Shaper para reservar el ancho de banda. Estos templates determinan cómo Silver Peak aplica QoS en una situación dada. Por ejemplo:

• ¿Qué parámetros de QoS se desean mapear para la aplicación de la política?
• ¿Cómo se desea priorizar el tráfico?
• ¿A qué clase de tráfico debería asignarse un paquete o flujo mapeado por la política?
• ¿Debería el dispositivo de Silver peak ajustar la marca DSCP, o se mantiene la marca realizada por los dispositivos de la red?

Además, es importante recalcar que dependiendo de la configuración, los templates de políticas de QoS se pueden aplicar tanto al tráfico que se está optimizando por WAN Opt, como al tráfico “pass-through” (el que no se esté optimizando).

En la Figura 3 se muestra (por partes) la interfaz de configuración de los templates para políticas de QoS. Se requiere la especificación de parámetros para el mapeo de la política a aplicar sobre un paquete dado, como: el protocolo (IP), subredes IP de origen y destino, la aplicación, los puertos origen y destino (capa 4: TCP, UDP, etc), el DSCP (Differentiated Service Code Point), VLAN, la Clase de Tráfico (definida en la configuración del Traffic Shaper), y el esquema de QoS que se aplicará tanto en el puerto LAN como en el puerto WAN (EF, AF, CS, Trust-LAN, etc), definidos en el estándar para los valores de DSCP en Servicios Diferenciados en IP.

Figura 3: Interfaz de configuración de los templates de políticas de QoS

Flujo de Datos en la Arquitectura de QoS

En este apartado se describe cómo son procesados los paquetes, a grandes rasgos, dentro de la arquitectura QoS de Silver Peak, en la versión 6.2+. Supongamos que el tráfico sucede de izquierda a derecha  en la Figura 4, es decir, desde la LAN hasta la interfaz de salida hacia la WAN.

• Los paquetes se reciben desde la LAN y se mapean para la aplicación de políticas de optimización o enrutamiento en el bloque de entrada (Route & Opt Policies). El tráfico es clasificado de acuerdo con las políticas reconocidas.
• El tráfico TCP que será acelerado u optimizado se pasa al bloque Accel/OPT TCP para luego ser procesado en el bloque correspondiente a Network Acceleration (NA) donde se aplican técnicas al estilo de Proxy. El próximo bloque es el SHAPER, al cual se pasan directamente aquellos paquetes que no aplican para las técnicas de Network Memory (NM – Compresión, De-Duplicación, etc). El tráfico que será comprimido o de-duplicado pasa entonces antes por el bloque NM.
• El tráfico UDP y otros diferentes a TCP que será optimizado pasa por el bloque OPT UDP/Other, para luego pasar al SHAPER con la opción de aplicar procesamiento de Network Memory (NM) para aquellos casos que sean requeridos de acuerdo a la programación. Recordemos que en el SHAPER el tráfico se va colocando en las colas respectivas de acuerdo a la Clase de Tráfico a la que pertenezcan según la clasificación a la entrada, para luego ser colocado en el túnel de destino que corresponda.
• El tráfico “Pass-Through Shaped” es aquel tráfico que no será optimizado, pero sí ha sido clasificado para aplicarle QoS en el SHAPER, pasando directamente a este bloque y se colocado en las colas y túneles de destino correspondientes.
• Finalmente, el tráfico Pass-Through Unshaped es el resto del tráfico que no aplica para ninguna clasificación, es decir, no se aplica ni optimización ni QoS en el SHAPER. Este se pasa directamente a la interfaz de salida, Output IF.
• Luego del SHAPER, en el bloque NI se aplican las técnicas de Network Integrity (FEC, POC, etc) al tráfico que está siendo optimizado, mientras que el tráfico Pass-Through Shaped sale del SHAPER directamente a la interfaz de salida, Output IF, puesto que a este tráfico sólo se le aplica QoS en el SHAPER, pero ninguna técnica de optimización.

Figura 4: Flujo de datos dentro de la arquitectura QoS de Silver Peak 6.2+

Finalmente, en la Figura 5 se observa la misma arquitectura de QoS y optimización de WAN de Silver Peak, pero enfocada al detalle de procesamiento de los paquetes.

Una vez que el tráfico es clasificado en los bloques de POLITICAS DEL ROUTER  y POLITICAS DE QOS, los paquetes se van colocando en las colas de la CT correspondiente, para luego ser seleccionados y pasados al SHAPER. Dicha selección se hace aplicando la técnica de Round Robin, es decir, se recorren todas las colas y se selecciona el siguiente paquete en cada una en cada recorrido. Podrían aplicar políticas de priorización o ponderación para seleccionar más de un paquete en cada ronda del round robin. En este proceso de selección se calcula el tiempo de espera que tiene lleva paquete en la cola, gracias a una marca de tiempo que se aplica al paquete en el bloque de entrada; si el Max Wait Time programado para este paquete es excedido, el paquete se descarta independientemente de si se dispone de ancho de banda para su transmisión. Este aspecto es importante cuando se trate de paquetes relacionados con tráfico en tiempo real (voz, video), puesto que si un paquete de voz excede el tiempo de espera en cola se supone que ya no será útil. Para evitar dañar el tráfico en tiempo real se deben diseñar las estrategias adecuadas de QoS para darle la prioridad y el ancho de banda adecuado a este tipo de tráfico, y que sus paquetes sean protegidos en situaciones de congestión. En este sentido es importante el parámetro de Prioridad en el Shaper. Los paquetes que posean la misma prioridad serán atendidos con Round Robin. El mínimo ancho de banda (Min AB) programado para cada CT será asegurado en la atención, siempre y cuando la sumatoria de todos los Min AB no exceda el MAX AB WAN. Si se programa el sistema con dicha sumatoria excediendo el MAX AB WAN, se corre el riesgo de dejar sin ancho de banda a las aplicaciones de menor prioridad. Por otro lado, los anchos de banda máximos programados (MAX AB) son los límites a los que puede llegar cada clase, independientemente del ancho de banda disponible.  Esto se alinea con la configuración correspondiente en los túneles de optimización en la interfaz WAN de salida.

Figura 5: Procesamiento de paquetes detallado en la arquitectura QoS de Silver Peak

Como se puede observar, esta arquitectura permite la aplicación de QoS al tráfico optimizado (Túnel), al tráfico no optimizado (Pass-Through Shaped), o simplemente no aplicar ninguna de las dos y tratar el tráfico con el mejor esfuerzo (best-effort, Pass-Through Un-Shaped).

Buenas Prácticas en la Configuración de QoS

Finalmente, se mencionan algunas buenas prácticas para considerar en la configuración de QoS:

• La suma de los AB Mínimos para todas las Clases de Tráfico (CT) no debe exceder el AB Máximo de la WAN (también conocido como el AB Máximo del sistema). Se debe evitar la “sobre-subscripción”, pues en situaciones de congestión no se discrimina entre los paquetes perdidos.
• En general, se recomienda colocar el AB Máximo para cada Clase de Tráfico al 100% del AB Máximo del Sistema (configuración por defecto). De esta manera cada CT podría obtener el AB Máximo del Sistema en los momentos en los que no se compita con otros CTs (no hay ningún CT en cola para transmitir).
• El tráfico sensible a los retardos (como VoIP) debe colocarse en una CT con un Máximo tiempo de Espera bajo y Máxima Prioridad.
• Si la suma de los AB Máximos para los túneles excede el AB Máximo del Sistema, algunos túneles podrían quedarse sin ancho de banda por el robo de los demás, especialmente aquellos que tienen menor prioridad. Se debe cuidar la justicia en el reparto de AB y no dejar túneles sin posibilidad de acceder.