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IEEE 802.1p: Protocolo para priorizacin

de trfico, QoS/CoS para capa 2 en LAN

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Contenido .....................................................................................................................................................1

Descripcin ...................................................................................................................................3

Estructura del Protocolo ..............................................................................................................3

Prioridad del usuario y prioridad de acceso .................................................................................5

Clases de trfico ...........................................................................................................................6

Prioridad de usuario .................................................................................................................7

Prioridad de acceso ..................................................................................................................7

Clase de trfico .........................................................................................................................7

Asignacin de la prioridad de usuario a la clase de trfico ...........................................................8

Trfico de internet con calidad de servicio.................................................................................11

Bibliografa .................................................................................................................................12

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ESCUELA POLITCNICA NACIONAL

TELEMATICA I

TEMA: IEEE 802.1p: Protocolo para priorizacin de trfico, QoS/CoS para

capa 2 en LAN

Descripcin La especificacin IEEE 802.1p permite a switches de capa 2 priorizar trfico y realizar filtracin

multicast dinmica. La especificacin de priorizacin trabaja en el entramado de la capa de

control de acceso al medio (MAC) (capa 2 en el modelo OSI). Este estndar tambin ofrece

provisiones para filtrar trfico multicast para asegurar que no prolifere sobre redes de

conmutacin de capa 2.

El encabezado del estndar 802.1p incluye un campo de 3 bits para priorizacin, que tambin

permite a los paquetes ser agrupados en varias clases de trfico. La IEEE ha hecho amplias

recomendaciones concernientes a cmo los administradores de red pueden implementar estas

clases de trfico.

Puede tambin 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 configuracin. El trfico de 802.1p es simplemente clasificado y enviado al destino,

sin que reservas de banda ancha sean establecidas.

IEEE 802.1p es una extensin del estndar IEEE 802.1Q, y los dos estndares 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 priorizacin (3 bits). El campo de priorizacin no fue

definido y usado en el estndar VLAN 802.1Q. El 802.1p define este campo de priorizacin.

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 ms alta

es 7, que puede ir a un trfico crtico de red como la actualizacin de tablas pertenecientes al

Protocolo de Informacin de Ruteo (RIP) o la informacin de topologas 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 trfico crtico de

negocios (datos SAP). El valor cero es usado como un default de mejor esfuerzo, colocado

automticamente cuando ningn 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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Prembulo (Pre): 7 bytes. El Pre es un patrn 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 recepcin de las capas fsicas con el flujo de bits entrante.

Delimitador de inicio de trama (SFD): 1 byte. La SFD es un patrn 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 direccin de destino.

Direccin de destino (DA): 6 bytes. El campo DA identifica qu estacin (o estaciones) deberan

recibir la trama.

Direccin de origen (SA): 6 bytes. El campo SA identifica la estacin 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 informacin de control de tag que incluye prioridad

del usuario, indicador de formato cannico 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 operacin para estos 3 bits de prioridad de usuario.

CFI: Indicador de formato cannico 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 debera ser reenviada por un puerto sin etiquetar.

VID: VLAN ID, es la identificacin de la VLAN, que es bsicamente usada por el estndar 802.1Q.

Tiene 12 bits y permite la identificacin 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 mximas posibles de VLAN es 4094.

Longitud/Tipo: 2 bytes. Este campo indica el nmero de bytes de datos del cliente MAC que

estn 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 1496) de cualquier valor. La mnima trama total

es 64 bytes.

Secuencia de chequeo de trama (Frame Check Sequence FCS): 4 bytes. Esta secuencia contiene

un valor de redundancia cclica (CRC) de 32 bits, que es creado por la MAC enviada y es

recalculada por la MAC recibida para un chequeo de tramas daadas. [1]

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Una configuracin de la red en las instalaciones de una organizacin tpica tiene mltiples redes

de rea 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 cuestin 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 versin original de IEEE 802.1D, que es una especificacin 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 interconexin de LANs con el mismo protocolo MAC y con LANs con

diferentes protocolos MAC. Adems, para pasar las tramas MAC que vienen de una LAN a otra,

cruzan el bridge, y este tiene la capacidad de pasar parmetros del software que controla el

puerto de llegada al software que controla el puerto de salida. Dos de estos parmetros son la

prioridad del usuario (user_priority) y la prioridad de acceso (access_priority).

Estos parmetros se relacionan con el problema de cmo 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 inespecfico (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 transmisin de

tramas. No se quisiera que el valor de access_priority sea igual al de user_priority por algunas

razones:

- Una trama que debe ir a travs de un bridge ya ha sufrido ms retardo que una trama

que no ha traspasado un bridge, por lo tanto, se deseara dar a tal trama una prioridad

de acceso ms 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

deseara 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

est 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 tambin determinada a

partir del campo de prioridad de la trama de llegada.

Para tramas de llegada 802.3 y 802.11, se tendr 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 funcin del valor de prioridad del usuario a la llegada.

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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, as 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 estn disponibles, la

prioridad ms alta (7) no es usada en el reenvo en bridges. La razn de esta restriccin es que

el protocolo de token passing reserva la prioridad 7 para su uso en tramas de transmisin

necesitadas para administrar el proceso de token passing, como la recuperacin de una trama

perdida.

Tabla 1. Prioridades de acceso a la salida

Clases de trfico 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 tambin

quieren transmitir en esa LAN. Sin embargo, las reglas no proveen directamente una gua

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 trfico de Token Ring de modo que un

nmero de tramas se almacenan esperando ser transmitidas sobre la Ethernet. Debera el

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bridge transmitir estas tramas en el orden en que fueron recibidas o debera el bridge tomar en

cuenta la prioridad del usuario de todas las tramas almacenadas y determinar cul trama

transmitir despus? La consideracin de este problema llev al diseo de un nuevo concepto,

clase de trfico, que es incorporado en la versin de IEEE 802.1D. Este nuevo material es a veces

referido como 802.1p. Esta fue la designacin cuando el estndar de Clase de Trfico era todava

un borrador (draft). En el esquema 802, una letra minscula se refiere a un suplemento de un

estndar existente y una letra mayscula se refiere al estndar base. Adems, 802.1D es el

estndar base que define operaciones de bridges, y 802.1p es un suplemento de una versin

temprana de 802.1D. Con la publicacin de la versin de 1998, el suplemento de Clase de Trfico

fue incorporado en la 802.1D y la designacin de 802.1p ya no es usada.

El objetivo de la adicin de clase de trfico a 802.1D es para permitir que switches de capa 2 y

bridges soporten trfico de tiempo crtico, como efectivamente es voz y video.

La versin 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). Tpicamente,

la prioridad de usuario no es modificada cuando se transita a travs de bridges, a menos que se

necesita una asignacin para el uso de un nmero diferente de niveles de prioridad por

diferentes tipos MAC. Por lo tanto, la prioridad de usuario tiene un significado de extremo a

extremo a travs de redes de rea 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 ms alta obtener acceso al anillo

sobre trama de prioridades ms bajas cuando tramas que vienen de mltiples 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 asignacin como se defini en la Tabla 1.

Clase de trfico: Un bridge puede ser configurado de tal forma que mltiples colas se usen para

mantener las tramas que estn esperando ser transmitidas por un puerto de salida, en cuyo caso

la clase de trfico es usado para determinar la prioridad relativa de las colas. Las tramas en

espera que tiene una alta clase de trfico son transmitidas antes que otras tramas con una clase

trfico menor. Al igual que la prioridad de acceso, la clase de trfico es asignada por el bridge en

base a la prioridad de usuario a la llegada.

La importancia de las clases de trfico puede ser vista reconociendo que una trama experimenta

dos tipos de retardo en un bridge:

- Retardo de cola: El tiempo en que una trama espera hasta que llega a ser la primera en

la lnea de transmisin en el puerto de salida. Este retardo es determinado por la

disciplina de cola usada por el bridge. El esquema ms simple es FIFO (first-in first-out).

Las clases de trfico permiten esquemas ms 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 trfico en un bridge. Un bridge

puede soportar hasta 8 clases de trfico diferentes, de cualquier puerto de salida

implementando hasta 8 colas distintas, o buffers, para ese puerto. Un valor de clase de trfico

es asociado con cada cola, con un rango de bajo (0) a alto (N-1), donde N es el nmero de clases

de trfico asociadas con un puerto de salida dado (N

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802.1Q, que lidia con LANs virtuales. La especificacin 802.1Q define un tag header de

32 bits que se coloca despus de los campos d direccin de origen y destino del

encabezado de trama. Este tag header incluye 3 bits de campo de prioridad. Adems, si

802.1Q est en uso por fuentes Ethernet y Wireless LAN, una prioridad de usuario puede

ser definida que permanece con la trama desde el origen hasta el destino.

2. Los puertos de salida asociados con los mtodos MAC que soportan una sola prioridad

de acceso, como 802.3 y 802.11, pueden soportar clases de trfico mltiples.

Recordemos que la clase de trfico lidia con colas de retardo, mientras que la prioridad

de acceso lidia con el retardo de acceso.

Para entender la razn de la asignacin recomendada en la Tabla 2, necesitamos considerar los

tipos de trfico que estn asociados con cada clase de trfico. El estndar provee una lista de

tipos de trfico, estos tipos incluyen:

Tabla 2. Recomendacin de asignacin de prioridad de usuario a clase de trfico

Control de red (7): Ambos, tiempos crticos y seguridad crtica, consisten de trfico necesario

para mantener la infraestructura de red, como tramas de protocolo de enrutamiento.

Voz (6): Tiempos crticos, caracterizados por menos que 10ms de retardo, como en voz

interactiva.

Video (5): Tiempos crticos, caracterizado por menos de 100ms de retardo, como el video

interactivo.

Carga controlada (4): No tiempos crticos, pero sensible a prdidas, como un streaming

multimedia y trfico crtico de negocios. Un uso tpico es para aplicaciones de negocios sujetas

a alguna forma de reserva o control de admisin, como reserva de la capacidad por flujo.

Excelente esfuerzo (3): Tambin no involucra tiempos crticos pero es sensible a prdidas, pero

de ms baja prioridad que el de carga controlada. Este es un tipo de servicio del mejor esfuerzo

que una organizacin de informacin de servicios entregara a sus ms importantes clientes.

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Mejor esfuerzo (2): No involucra tiempos crticos y es insensible a prdidas. Esto es el trfico

LAN controlado en la forma tradicional.

Background (0): No involucra tiempos crticos y es insensible a prdidas, pero de ms baja

prioridad que el de mejor esfuerzo. Este tipo incluye transferencias en masa y otras actividades

que son permitidas en la red pero que no deberan impactar el uso de la red por otros usuarios

y aplicaciones.

Solo 7 tipos de trfico estn definidos en este estndar. Este deja como sobrante un octavo tipo,

que podra ser usado para trfico de mayor importancia que el de background pero de menor

importancia que el de mejor esfuerzo. Los nmeros en parntesis en la lista anterior son los

valores de clase de trfico correspondiente a cada tipo de trfico si hay 8 colas y por lo tanto 8

clases de trfico disponibles en un puerto de salida dado.

Ahora podemos abordar la cuestin de la asignacin de la prioridad de usuario y el valor de clase

de trfico. Si 8 valores de clase de trfico estn disponibles 8 colas en el puerto de salida), la

asignacin obvia sera la igualdad; esto es, una prioridad de usuario K se asignara a una clase de

trfico K para 0 7. Esta asignacin obvia no es deseable debido al tratamiento de las

prioridades default. Para 802.3 y 802.11, que no usan prioridades, la prioridad de usuario por

default es 0. Para otros tipos de MAC, como 802.5, si el usuario no especifica una prioridad, el

nivel de MAC se asigna a un valor por default de 0. El estndar puntualiza que usar un valor

diferente de default resultara en algo de confusin y probablemente una falta de

interoperabilidad. Sin embargo, el tipo de trfico lgico por defecto (default) es el mejor

esfuerzo. La solucin propuesta por el estndar es asignar una prioridad de usuario de 0 a la

clase de trfico de valor 2. Cuando hay 8 valores de clases de trfico disponibles, entonces los

valores de prioridad del usuario 1 y 2 asignan clases de trfico de valor 0 (background) y 1 (Valor

de repuesto) respectivamente.

Esta solucin es mostrada en la Tabla 2, que muestra la asignacin de la prioridad del usuario a

la clase de trfico cuando hay 8 clases de trfico disponibles. La tabla tambin muestra la

asignacin cuando hay menores clases de trfico. Para entender esta tabla, necesitamos

considerar la forma en que el estndar recomienda el agrupamiento de tipos de trfico cuando

menos de 8 colas son configuradas en un puerto de salida. La Tabla 3 muestra esta agrupacin.

La primera fila de la tabla muestra que si hay una sola cola, entonces todas las clases de trfico

son llevadas a esa cola. Esto es obvio. Si hay dos colas, el estndar recomienda asignar control

de red, voz, video, y carga controlada a la cola de ms alta prioridad, y excelente esfuerzo, mejor

esfuerzo y background a la cola de menor prioridad. El razonamiento suministrado por el

estndar dice: Para soportar una variedad de servicios en la presencia de rfagas de trfico del

mejor esfuerzo, es necesario segregar el trfico de tiempo crtico de otro trfico. Adems, trfico

adicional que va a recibir servicios superiores y que est operando bajo un control de admisin

tambin necesita ser separado del trfico sin control. La asignacin de tipos de trfico para las

colas para las filas restantes de la tabla puede ser explicada similarmente. [2]

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Tabla 3. Tipos de trfico sugeridos.

Trfico de internet con calidad de servicio Los conceptos de prioridad de usuario y clase de trfico, permiten a los bringes a nivel MAC y a

los switches de capa 2 aplicar una poltica de manejo de trfico dentro de una coleccin de LANs

con bridges que dan preferencia a determinados tipos de trfico. Se necesitan estos conceptos

porque estos bridges y switches no pueden ver "por encima" de la capa MAC y por lo tanto no

puede reconocer o utilizar indicaciones de QoS en las capas superiores, tales como IP. Sin

embargo, con frecuencia el caso en el que el trfico de un bridge, conjunto de LANs, tiene que

cruzar redes de rea extendida (WANs) que hacen uso de la funcionalidad QoS. Un ejemplo de

esto es una red ATM, que prev QoS especificados por el usuario. Otro ejemplo es Internet

basado en IP, que puede proporcionar QoS a nivel de IP. Algunos medios son necesarios para el

mapeo entre las clases de trfico y de QoS para tales configuraciones. Esta es un rea en

desarrollo de la tecnologa y la normalizacin.

En el caso de internets basados en IP, el campo, tipo de servicio IP, proporciona una manera de

etiquetar el trfico con diferentes demandas de QoS. El campo ToS se conserva a lo largo de

todo el camino desde el origen al destino a travs de, potencialmente, mltiples routers.

Afortunadamente, la asignacin de clase de trfico de ToS es sencillo. El campo ToS incluye un

subcampo precedencia de 3 bits. Un router conectado a una LAN, como a internet puede ser

configurado para leer capa 2 del campo clase de trfico y copiar en el campo ToS de precedencia

en una direccin, y copiar el campo de precedencia de 3 bits en el campo de prioridad de usuario

en la otra direccin.

En el caso de una conexin ATM, un bridge o switch de capa 2 puede estar conectado a una LAN

en un lado y una red ATM en el otro, usando la red ATM para unirse a otras LANs remotas. Para

el trfico local LAN que va llegando al bridge, el bridge debe coincidir con el nivel de prioridad

de usuario con la clase de servicio ATM apropiado y otros parmetros ATM. Para este propsito,

el bridge puede consultar una tabla de asignacin cuyos ajustes se han predefinido a travs de

los controles de polticos de software de gestin de red. Una apropiada conexin virtual se utiliza

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para transportar el trfico. Si el trfico sale de la red ATM a una LAN, el bridge en ese extremo

puede mapear el trfico entrante de cada conexin virtual en la clase de trfico y la prioridad de

usuario.

Bibliografa

[1] J. T. Inc., Network Protocol Handbook, Saratoga - USA, 2004 - 2005.

[2] W. Stallings, Local and Metropolitan Area Networks, Sixth Edition, Prentice Hall, 2000.