Качество обслуживания

Качество обслуживания (Quality of Service, QoS) определяет количественные оценки вероятности того, что сеть будет передавать определенный поток данных между двумя узлами в соответствии с потребностями приложения или пользователя.

Например, при передаче голосового трафика через сеть под качеством обслуживания чаще всего понимают гарантии того, что голосовые пакеты будут доставляться сетью с задержкой не более N мс, при этом вариация задержки не превысит M мс, и эти характеристики станут выдерживаться сетью с вероятностью 0,95 на определенном временном интервале. То есть приложению, которое передает голосовой трафик, важно, чтобы сеть гарантировала соблюдение именно этого приведенного выше набора характеристик качества обслуживания. Файловому сервису нужны гарантии средней полосы пропускания и расширения ее на небольших интервалах времени до некоторого максимального уровня для быстрой передачи пульсаций. В идеале сеть должна гарантировать особые параметры качества обслуживания, сформулированные для каждого отдельного приложения. Однако по понятным причинам разрабатываемые и уже существующие механизмы QoS ограничиваются решением более простой задачи — гарантированием неких усредненных требований, заданных для основных типов приложений.

Чаще всего параметры, фигурирующие в разнообразных определениях качества обслуживания, регламентируют следующие показатели работы сети:

• пропускная способность;
• задержки передачи пакетов;
• уровень потерь и искажений пакетов.

Качество обслуживания гарантируется для некоторого потока данных. Напомним, что поток данных — это последовательность пакетов, имеющих некоторые общие признаки, например адрес узла-источника, информация, идентифицирующая тип приложения (номер порта TCP/UDP) и т. п. К потокам применимы такие понятия, как агрегирование и дифференцирование. Так, поток данных от одного компьютера может быть представлен как совокупность потоков от разных приложений, а потоки от компьютеров одного предприятия агрегированы в один поток данных абонента некоторого провайдера услуг.

Механизмы поддержки качества обслуживания сами по себе не создают пропускной способности. Сеть не может дать больше того, что имеет. Так что фактическая пропускная способность каналов связи и транзитного коммуникационного оборудования — это ресурсы сети, являющиеся отправной точкой для работы механизмов QoS. Механизмы QoS только управляют распределением имеющейся пропускной способности в соответствии с требованиями приложений и настройками сети. Самый очевидный способ перераспределения пропускной способности сети состоит в управлении очередями пакетов.

Поскольку данные, которыми обмениваются два конечных узла, проходят через некоторое количество промежуточных сетевых устройств, таких как концентраторы, коммутаторы и маршрутизаторы, то поддержка QoS требует взаимодействия всех сетевых элементов на пути трафика, то есть "из-конца-в-конец" ("end-to-end", "e2e"). Любые гарантии QoS настолько соответствуют действительности, насколько их обеспечивает наиболее "слабый" элемент в цепочке между отправителем и получателем. Поэтому нужно четко понимать, что поддержка QoS только в одном сетевом устройстве, пусть даже и магистральном, может лишь весьма незначительно улучшить качество обслуживания или же совсем не повлиять на параметры QoS.

Реализация в компьютерных сетях механизмов поддержки QoS является сравнительно новой тенденцией. Долгое время компьютерные сети существовали без таких механизмов, и это объясняется в основном двумя причинами. Во-первых, большинство приложений, выполняемых в сети, были "нетребовательными", то есть для таких приложений задержки пакетов или отклонения средней пропускной способности в достаточно широком диапазоне не приводили к значительной потере функциональности. Примерами "нетребовательных" приложений являются наиболее распространенные в сетях 80-х годов приложения электронной почты или удаленного копирования файлов.

Во-вторых, сама пропускная способность 10-мегабитных сетей Ethernet во многих случаях не была дефицитом. Так, разделяемый сегмент Ethernet, к которому было подключено 10-20 компьютеров, изредка копирующих небольшие текстовые файлы, объем которых не превышает несколько сотен килобайт, позволял трафику каждой пары взаимодействующих компьютеров пересекать сеть так быстро, как требовалось породившим этот трафик приложениям.

В результате большинство сетей работало с тем качеством транспортного обслуживания, которое обеспечивало потребности приложений. Правда, никаких гарантий относительно контроля задержек пакетов или пропускной способности, с которой пакеты передаются между узлами, в определенных пределах эти сети не давали. Более того, при временных перегрузках сети, когда значительная часть компьютеров одновременно начинала передавать данные с максимальной скоростью, задержки и пропускная способность становились такими, что работа приложений давала сбой — шла слишком медленно, с разрывами сессий и т. п.

Существует два основных подхода к обеспечению качества работы сети. Первый состоит в том, что сеть гарантирует пользователю соблюдение некоторой числовой величины показателя качества обслуживания. Например, сети frame relay и ATM могут гарантировать пользователю заданный уровень пропускной способности. При втором подходе (best effort) сеть старается по возможности более качественно обслужить пользователя, но ничего при этом не гарантирует.

Транспортный сервис, который предоставляли такие сети, получил название "best effort", то есть сервис "с максимальными усилиями" (или "по возможности"). Сеть старается обработать поступающий трафик как можно быстрее, но при этом никаких гарантий относительно результата не дает. Примерами может служить большинство технологий, разработанных в 80-е годы: Ethernet, Token Ring, IP, X.25. Сервис "с максимальными усилиями" основан на некотором справедливом алгоритме обработки очередей, возникающих при перегрузках сети, когда в течение некоторого времени скорость поступления пакетов в сеть превышает скорость продвижения этих пакетов. В простейшем случае алгоритм обработки очереди рассматривает пакеты всех потоков как равноправные и продвигает их в порядке поступления (First In — First Out, FIFO). В том случае, когда очередь становится слишком большой (не умещается в буфере), проблема решается простым отбрасыванием новых поступающих пакетов.

Очевидно, что сервис "с максимальными усилиями" обеспечивает приемлемое качество обслуживания только в тех случаях, когда производительность сети намного превышает средние потребности, то есть является избыточной. В такой сети пропускная способность достаточна даже для поддержания трафика пиковых периодов нагрузки. Также очевидно, что такое решение не экономично — по крайней мере, по отношению к пропускным способностям сегодняшних технологий и инфраструктур, особенно для глобальных сетей. Тем не менее, построение сетей с избыточной пропускной способностью, будучи самым простым способом обеспечения нужного уровня качества обслуживания, иногда применяется на практике. Например, некоторые провайдеры услуг сетей TCP/IP предоставляют гарантию качественного обслуживания, постоянно поддерживая определенный уровень превышения пропускной способности своих магистралей по сравнению с потребностями клиентов.

В условиях, когда многие механизмы поддержки качества обслуживания только разрабатываются, использование для этих целей избыточной пропускной способности часто оказывается единственно возможным, хотя и временным решением.