Задачи систем управления качеством

Системы управления качеством QoS (Quality of Service) – это набор технологий, позволяющих получить пользователю гарантированную полосу, задержку, колебания задержки. Компания Cisco дает еще такое определение QoS – способность сети обеспечить необходимый сервис заданному трафик в определенных технологических рамках.

Таким образом, требуемое качество обслуживания определяется тремя группами параметров:

1. Пропускной способностью – средней, максимальной (пиковой) и минимальной.

2. Средними и максимальными значениями задержки, а также средним и максимальным значением межпакетных вариаций задержки, т.е. отклонений межпакетных интервалов в прибывающем трафике по сравнению с отправленным.

3. Надежностью передачи – количеством потерянных и искаженных пакетов.

Базовые функции систем управления качеством QoS заключаются в обеспечении необходимых параметров сервиса и включают: классификацию трафика, разметку, управление перегрузками, предотвращение перегрузок. Классификация и разметка выполняется на входных портах сетевого оборудования, а управление перегрузками и предотвращение перегрузками на выходных.

В качестве основных критериев классификации трафика различных приложений чаще всего выбирают три характеристики: относительная предсказуемость скорости передачи данных, чувствительность трафика к задержкам пакетов, чувствительность к потерям и искажениям пакетов.

В отношении предсказуемости скорости приложения могут быть разделены на два больших класса.

1. Приложения, трафик которых представляет собой равномерный поток (Stream). Этот класс приложений характеризуется высокой степенью предсказуемости порождаемого трафика, который поступает в сеть с более или менее постоянной битовой скоростью CBR (Constant Bit Rate). Хотя скорость потока может изменяться, тем не менее она имеет легко вычисляемую верхнюю границу. Например, аудиопотоки данных являются трафиком CBR, и для элементарного голосового потока верхняя граница составляет 64 Кбит/с.

2. Приложения с пульсирующим трафиком (Burst). Они отличаются высокой степенью непредсказуемости, когда периоды затишья сменяются передачей больших блоков данных. В результате для трафика характерна переменная битовая скорость VBR (Variable Bit Rate). Так, в случае файлового сервиса интенсивность трафика может увеличиваться от нуля, когда файлы не передаются, до бесконечности, когда после передачи запроса с координатами файла приложение стремится как можно быстрее передать данные. (Понятно, что реальная скорость передачи ограничена возможностями сети.) Строго говоря, любые приложения генерируют неравномерный трафик, в том числе и потоковые. Просто коэффициент пульсации (т. е. отношение максимальной мгновенной скорости к средней) у этих двух типов приложений отличается радикально. У приложений с пульсирующим трафиком он обычно находится в пределах от 10:1 до 100:1, а у потоковых существенно меньше.

Другой критерий классификации приложений по типу трафика - их чувствительность к задержкам пакетов. Далее перечислены основные типы приложений в порядке повышения чувствительности к задержкам пакетов.

1. Асинхронные приложения: практически нет ограничений на время задержки (эластичный трафик). Пример - электронная почта.

2. Синхронные приложения: чувствительны к задержкам, но допускают их.

3. Интерактивные приложения: задержки могут быть замечены пользователями, но они не сказываются негативно на функциональности приложений. Пример: текстовый редактор, работающий с удаленным файлом.

4. Изохронные приложения: при превышении порога чувствительности к задержкам функциональность приложения резко снижается. Пример: передача голоса, когда при превышении порога задержек в 100 - 150 мс качество воспроизводимого голоса резко ухудшается,

5. Сверхчувствительные к задержкам приложения. Задержка доставки данных сводит функциональность к нулю. Пример: приложения, управляющие техническим объектом в реальном времени. При запаздывании управляющего сигнала на объекте может произойти авария.

Существует и более грубое деление приложений по этому же признаку на два класса - асинхронные и синхронные. К асинхронным относят те приложения, которые нечувствительны к задержкам передачи данных в очень широком диапазоне, вплоть до нескольких секунд, а все остальные, на функциональность которых задержки оказывают существенное влияние, определяются как синхронные. К синхронным приложениям в этом широком смысле относятся такие типы приложений приведенной выше классификации, как изохронные и сверхчувствительные к задержкам.

Интерактивные приложения могут быть как асинхронными (например, текстовый редактор), так и синхронными (например, видеоконференция).

И, наконец, третьим критерием классификации приложений является их чувствительность к потерям пакетов. По этому признаку приложения обычно делят на две группы:

1.Чувствительные к потерям приложения. Практически все приложения, передающие алфавитно-цифровые данные (к которым относятся текстовые документы, коды программ, числовые массивы и т. п.), обладают высокой чувствительностью к потере отдельных, даже небольших, фрагментов данных. Такие потери часто ведут к полному обесцениванию остальной, успешно принятой информации. Например, отсутствие хотя бы одного байта в коде программы делает ее совершенно неработоспособной. Все традиционные сетевые приложения (файловый сервис, сервис баз данных, электронная почта и т. д.) относятся к этому типу приложений.

2.Устойчивые к потерям приложения. В эту группу входят многие приложения, трафик которых доставляет информацию об инерционных физических процессах. Устойчивость к потерям объясняется тем, что небольшое количество данных можно приблизительно восстановить на основе принятых. Так, при потере одного пакета с несколькими последовательными замерами голоса, отсутствующие замеры при воспроизведении голоса могут быть заменены аппроксимацией на основе соседних значений. К такому типу относится большая часть приложений, работающих с мультимедийным трафиком (аудио- и видеоприложения). Однако устойчивость к потерям имеет свои пределы, поэтому процент потерянных пакетов не может превышать некоторый уровень, например 1%. Можно отметить также, что не любой мультимедийный трафик устойчив к потерям данных в частности, очень чувствительны к ним сжатый голос или видеоизображение.

Вообще говоря, между рассмотренными выше тремя основными характеристиками трафика нет жесткой взаимозависимости. Приложение с равномерным потоком может быть как асинхронным, так и синхронным, а, например, синхронное приложение - как чувствительным, так и нечувствительным к потерям пакетов. Однако практика показывает, что из всего многообразия возможных сочетаний есть несколько таких, которыми можно охарактеризовать большинство используемых сегодня приложений.

Например, следующее сочетание характеристик приложения (изохронное, устойчивое к потерям, порождающее трафик типа равномерного потока) соответствует таким популярным приложениям, как IP-телефония, поддержка видеоконференций, аудиовещание через Интернет. Устойчивых сочетаний характеристик не так уж много. Так, при стандартизации технологии ATM были определены четыре класса приложений: А, В, С и D. Кроме того, все не попавшие ни в один из этих классов приложения были отнесены к классу X, в котором комбинация характеристик приложения может быть произвольной.

Приведенная классификация приложений положена в основу типовых требований к параметрам и механизмам качества обслуживания в современных сетях.

Трем критериям классификации приложений (предсказуемость скорости трафика, чувствительность к задержкам и чувствительность к потерям) соответствуют три группы параметров, используемых при определении и задании требуемого качества обслуживания:

· параметры пропускной способности включают среднюю, максимальную (пиковую) и минимальную скорости передачи данных;

· параметры задержек - среднюю и максимальную величину задержек, а также среднее и максимальное значения вариаций задержек, т. е. отклонений межпакетных интервалов в прибывающем трафике по сравнению с отправленным;

· параметры надежности передачи - процент потерянных пакетов, а также процент искаженных пакетов.

Параметры качества обслуживания обычно оговариваются в соглашении об уровне сервиса SLA (Service Level Agreement) между пользователем сети и провайдером. При их определении важно, за какой период измеряется данный параметр. Чем он меньше, тем жестче требования качества обслуживания и тем труднее для сети их выдержать. Поэтому провайдеры сетей IP, которые испытывают сложности с обеспечением QoS, предпочитают оговаривать в соглашениях SLA среднемесячные характеристики, в то время как провайдеры сетей Frame Relay и ATM, располагающие мощными средствами QoS, способны гарантировать параметры, усредненные за период в несколько секунд.

Параметры качества обслуживания могут быть отнесены к трафику, порождаемому приложениями пользователя, в этом случае их называют также профилем трафика. Они же могут характеризовать возможности сети по обслуживанию такого трафика. Пусть, например, у пользователя имеется приложение, которое порождает равномерный поток с постоянной скоростью N. При заключении соглашения SLA с провайдером пользователь обязуется, что предлагаемый трафик приложения не будет превышать максимальную скорость N. Провайдер в свою очередь гарантирует, что минимальная величина пропускной способности сети, предоставляемой данному приложению, будет не меньше N. Это необходимо для обеспечения приемлемого качества обслуживания трафика данного приложения.

Для приложений с пульсирующим трафиком качество обслуживания лучше всего характеризуется средней и максимальной скоростями. Обычно при этом оговаривается либо максимальное время пульсации, в течение которого приложение передает данные с наибольшей скоростью, либо максимальный объем данных, который можно передать в одной посылке. Часто используется также вариант с заданием верхней и нижней границ скорости. В этом случае приложению гарантируется пропускная способность на уровне минимальной границы, достаточная для его удовлетворительного функционирования, а само приложение не должно направлять трафик со скоростью, превышающей максимальную границу.

После заключения соглашения пользователь и сервис-провайдер соответствующим образом настраивают свои программные и аппаратные средства для соблюдения оговоренных параметров. Некоторые технологии позволяют автоматизировать процесс взаимного согласования параметров QoS между оборудованием пользователя и оборудованием провайдера. Например, в технологии ATM при установлении соединения эти параметр согласуются с помощью процедуры, называемой трафик-контрактом.

Служба QoS отвечает за обеспечение качества обслуживания для разных типов приложений. Она имеет распределенный характер, так как ее элементы должны присутствовать во всех сетевых устройствах, продвигающих пакеты: коммутаторах, маршрутизаторах, серверах доступа. С другой стороны, служба QoS должна включать также элементы централизованного управления, поскольку работу отдельных сетевых устройств, поддерживающих QoS, нужно координировать, чтобы качество обслуживания было однородным вдоль всего пути, по которому следуют пакеты потока. Любые гарантии QoS настолько хороши, насколько их обеспечивает наиболее "слабый" элемент в цепочке между отправителем и получателем. Поэтому поддержка QoS только в одном сетевом устройстве, пусть даже и магистральном, может весьма незначительно улучшить качество обслуживания или же совсем не влиять на параметры QoS.