Лекция 15. Методы обеспечения качества обслуживания в сетях с коммутацией пакетов

Обеспечение качества обслуживания (QoS) – одно из важнейших требо- ваний, предъявляемых к сетям с коммутацией пакетов современными мультимедийными приложениями, системами дистанционного обучения и т. д.

Методы обеспечения качества обслуживания фокусируют внимание на влиянии очередей в коммуникационных устройствах при передаче трафика, в которых используются различные алгоритмы управления очередями, резервирования и обратной связи, позволяющие снизить негативное воздействие очередей до приемлемого для пользователей уровня.

Очереди являются неотъемлемым атрибутом сетей с коммутацией пакетов. Принцип работы таких сетей подразумевает наличие буфера у каждых входного и выходного интерфейсов коммутатора пакетов. Буферизация пакетов во время перегрузок представляет собой основной механизм поддержания пульсирующего трафика, обеспечивающий высокую производительность сетей подобного типа. С другой стороны, очереди означают неопределенную задержку при передаче пакетов через сеть, что является главным источником проблем для чувствительного к задержкам трафика. По этой причине провайдерам необходимы средства обеспечения компромисса между стремлением предельно загрузить свою сеть и выполнением требований QoS одновременно для всех типов трафика.

Характеристики QoS особенно важны в случае, когда сеть передает одновременно трафик разного типа. Это связано с тем, что различные типы трафика предъявляют разные требования к характеристикам QoS. Добиться синхронного соблюдения характеристик QoS для всех видов трафика очень сложно, поэтому обычно используют следующий подход: классифицируют существующие в сети трафики, относя каждый из них к одному из распространенных типовых видов, а затем добиваются одновременного выполнения определенного подмножества из набора требований QoS. В качестве основных критериев приняты три характеристики трафика:

- относительная предсказуемость скорости передачи данных;

- чувствительность трафика к задержкам пакетов и их вариациям;

- чувствительность трафика к потерям и искажениям пакетов.

Предсказуемость скорости передачи данных. В данном отношении трафик приложений можно условно разделить на два класса:

- потоковый (stream) – приложения с потоковым трафиком порождают равномерный поток данных, поступающий в сеть с постоянной битовой скоростью;

- пульсирующий (burst) – приложения с пульсирующим трафиком отличаются высокой степенью непредсказуемости, когда периоды молчания сменяются пульсацией, в течение которой пакеты "плотно" следуют друг за другом.

Чувствительность трафика к задержкам пакетов. Основные типы приложений в порядке уменьшения чувствительности к задержкам пакетов:

– трафик реального времени включает в себя аудио и видеоинформацию, критичную к задержкам при передаче. Допустимые значения задержек обычно не превышают 0,1 с. Кроме того, задержка должна иметь малые флуктуации (jitter);

– трафик транзакций. При передаче данного вида трафика задержки не должны превышать 1 с, иначе пользователи будут вынуждены прерывать работу и ждать ответа на свои сообщения, потому что только после получения ответа они могут продолжить отправлять свои данные. В некоторых случаях превышение допустимого времени задержек приводит к сбою рабочей сессии;

– трафик данных. Задержки при передаче трафика этой категории могут иметь практически любые значения и достигать даже нескольких секунд. Для трафика данных полоса пропускания более важна, чем время задержек: увеличение пропускной способности сети влечет за собой уменьшение времени передачи. Приложения, передающие большие объемы данных, разработаны, в основном, так, что захватывают всю доступную полосу пропускания сети.

Чувствительность трафика к потерям и искажениям пакетов. Практически все приложения, передающие алфавитно-цифровые данные обладают высокой чувствительностью к потере отдельных пакетов. Подобные потери часто ведут к полному обесцениванию остальной, успешно принятой информации. Все традиционные сетевые приложения (файловый сервис, сервис баз данных, электронная почта и т. д.) относятся к названому типу приложений. К приложениям, устойчивым к потере данных, относятся приложения, передающие трафик с информацией об инерционных физических процессах, когда небольшое количество отсутствующих данных можно определить на основе принятых. К такому типу относится большая часть приложений, работающих с мультимедийным трафиком. Однако устойчивость к потерям имеет свои пределы, поэтому процент потерянных пакетов не может быть большим (не более 1 %).

Модели обеспечения QoS.

Лучшая возможность (Best Effort Service). В данной модели используются все доступные ресурсы сети без выделения отдельных классов трафика и регулирования. Считается, что лучшим механизмом обеспечения QoS является увеличение пропускной способности. В принципе, это правильно, однако некоторые виды трафика (например, голосовой) очень чувствительны к задержкам пакетов и вариации скорости их прохождения. Модель Best Effort Service даже при наличии больших резервов допускает возникновение перегрузок в случае резких всплесков трафика.

Для обеспечения соответствующего QoS в IP-сетях международная организация IETF определила две основные модели: Integrated Services (IntServ) и Differentiated Services (DiffServ).

Интегрированный сервис (IntServ) обеспечивает сквозное (End-to-End) качество обслуживания, гарантируя необходимую пропускную способность. IntServ использует протокол сигнализации RSVP (протокол резервирования сетевых ресурсов), который обеспечивает выполнение требований ко всем промежуточным узлам. Протокол функционирует следующим образом: узел-источник до передачи данных, требующих определенного нестандартного качества обслуживания (например, постоянной полосы пропускания для передачи видеоинформации) посылает по сети специальное сообщение о пути (path message), содержащее данные о типе передаваемой информации и требуемой пропускной способности. Сообщение передается между маршрутизаторами по всей линии от узла-отправителя до адреса назначения, при этом определяется последовательность маршрутизаторов, в которых необходимо зарезервировать определенную полосу пропускания. Маршрутизатор, получив такое сообщение, проверяет свои ресурсы с целью определения возможности выделения требуемой пропускной способности. При ее отсутствии маршрутизатор запрос отвергает. Если необходимая пропускная способность достижима, то маршрутизатор настраивает алгоритм обработки пакетов таким образом, чтобы указанному потоку всегда предоставлялась требуемая пропускная способность, а затем передает сообщение следующему маршрутизатору вдоль пути. В результате по всему пути от узла-отправителя до адреса назначения резервируется необходимая пропускная способность.

Дифференцированное обслуживание (DiffServ). Дифференцирование обслуживание предполагает разделение трафика на классы на основе требований к качеству обслуживания. Каждый класс трафика диффе- ренцируется и обрабатывается сетью в соответствии с заданными для этого класса механизмами QoS. Подобная схема обеспечения качества обслуживания (QoS) довольно часто называется схемой CoS. Следует отметить, что дифференцированное обслуживание само по себе не предполагает обеспечения гарантий предоставляемых услуг. В соответствии с данной схемой трафик распределяется по классам, каждый из которых имеет свой собственный приоритет. По этой причине дифференцированное обслуживание довольно часто называют мягким QoS (soft QoS). Дифференцированное обслуживание удобно применять в сетях с интенсивным трафиком приложений. В этом случае важно обеспечить отделение административного трафика сети от всего остального трафика и назначить ему приоритет, позволяющий в любой момент времени быть уверенным в связности узлов сети.

Одной из реализаций модели DiffServ является технология много- протокольной коммутации на основе меток (Multiprotocol Label Switching – MPLS), которая на сегодняшний день стала одной из основных для построения крупных сетей операторов, предоставляющих услуги с обеспечением качества обслуживания. Данная технология предназначена для ускорения коммутации пакетов в транспортных сетях. Основное ее отличие от ранее рассмотренных в том, что MPLS изначально не является технологией обеспечения качества и становится таковой только при использовании протокола RSVP-TE.

На границе сети MPLS маршрутизаторы помечают пакеты специальными метками, определяющими дальнейший маршрут следования пакета к месту назначения. В результате анализируются не адреса IP, a короткие цифровые метки, что существенно снижает сетевую задержку и требования к производительности маршрутизаторов. Для корректного взаимодействия их между собой и обмена информацией о создаваемых метках используются протоколы распределения меток (LDP, CR-LDP, RSVP-TE и др.).

Маршрут может также задаваться административно. При этом заранее определяется весь перечень узлов, через которые он будет проходить. Если для соединения требуется гарантия определенного уровня качества, то для распределения меток используется протокол RSVP-TE, а на маршруте резервируются необходимые ресурсы. В RSVP-TE предусмотрены контроль и обновление установленного соединения, так что в случае повреждения в сети можно динамически перевести потоки трафика на резервный маршрут.

Технология MPLS характеризуется высокой масштабируемостью и рассматривается в качестве наиболее перспективной для передачи IP-трафика.

Преимущества технологии MPLS: выбор маршрута на основе анализа IP-адреса; ускоренная коммутация (сокращает время поиска в таблицах); гибкая поддержка QoS, интегрированных сервисов и виртуальных частных сетей; эффективное использование явного маршрута; сохранение инвестиций в уже установленное ATM-оборудование; разделение функциональности между ядром и граничной областью сети.