Arhitektura kvaliteta usluga telekomunikacionih mreža Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Profesor dr Milojko Jevtović,

dipl. in'.

Elektrotehnicki fakultet, Banja Luka

ARHITEKTURA KVALITETA USLUGA TELEKOMUNIKACIONIH MRE@A

UDC: 621.39

Rezime:

U radu je analizirana arhitektura kvaliteta usluga (Quality of Service, QoS) s ciljem da se definirn kriterijumi zdru'ivanja protokola kvaliteta usluga prema razli~itim klasama usluga (Class of Service, CoS) telekomunikacione mre'e. Na osnovu definisanih klasa usluga, ti-pa mre'e i primenjenih tehnika prenosa signala, mogu se definisati arhitekture QoS protokola koje zadovoljavaju zahtevane nivoe QoS-a za razli~ite CoS, posebno za one koje zahtevaju komunikaciju u realnom vremenu.

Klju~ne re~i: kvalitet usluga, arhitekture kvaliteta, telekomunikacione mre'e, analiza arhitektura, kriterijumi pri projektovanju.

QUALITY OF SERVICE ARCHITECTURES IN TELECOMMUNICATION NETWORKS

Summary:

This paper examines the problem of quality of service architectures implementation in today’s telecommunication networks. The analyses of QoS architectures are given with particular emphasis on the criteria for QoS protocol embedding. According to predefined QoSs, types of network and techniques for signal transport, it is posible to determine QoS protocol architectures which will satisfy required QoS levels.

Key words: quality of service, QoS architectures, telecommunication networks, analysis of architectures, design criteria.

Uvod

Standardne paketske racunarske mre-'e zasnovane na IP protokolu (Internet Protocol), po svojoj tehnickoj koncepciji pružaju „best effort“ kvalitet usluga (Quality of Service, QoS) pri prenosu podata-ka. Drugim recima, obezbeđuju samo onaj nivo kvaliteta koji mre'a u određenom trenutku mo'e dati, a ne obezbeđuju zah-tevani niti garantovani kvalitet usluga. Ta-kve mre'e, kao sto je globalna racunarska mre'a Internet, prenose pakete sa kasnje-njem, varijacijom kasnjenja i određenom verovatnoćom gubitka paketa podataka. Ovakav kvalitet zadovoljava samo tipicne

Internet aplikacije, odnosno klase usluga (Class of Service, CoS), kao sto su:

- elektronska posta (e-mail);

- prenos datoteka (file transfer);

- Web aplikacije (WWW applications).

Kasnjenje pri prenosu paketa preko IP mre'e stvara velike probleme za apli-kacije koje zahtevaju prenos u realnom vremenu, kao sto su: multimedijalna ko-munikacija, video konferencije i paketski prenos govora. Cak i na relativno neopte-rećenim IP mre'ama kasnjenje pri ispo-ruci paketa poruke vrlo je veliko i ne mo-'e se jednostavno prilagoditi za komuni-kaciju u realnom vremenu.

458

VOJNOTEHNICKI GLASNIK 5/2004.

Da bi se obezbedile nove klase usluga i komunikacija u realnom vremenu, IP mreže se moraju dopuniti novim tehnickim re{enjima, tj. kvantitavnim i kvalitativnim performansama. To zahteva da se IP mreži doda odredeni nivo „inteligencije“, kako bi bio podržan saobraćaj koji zahteva stroga vremenska ogranicenja u prenosu kroz da-tu mrežu. Pri tome se imaju u vidu zahtevi za: {irinu propusnog opsega, ograniceno kasnjenje, džiter i verovatnoću gubitka pa-keta. Problem se re{ava kori{ćenjem odre-denih QoS protokola.

Da bi se mreža prilagodila potreba-ma tih razlicitih tipova QoS-a, razvijeni su i koriste se brojni razliciti QoS proto-koli i algoritmi, medu kojima se najce{će primenjuju:

- protokol integrisane usluge - Int-Serv protokol (Integrated Service), dode-lom prioriteta, koji vr{i selekciju saobra-ćajnih tokova pri obezbedenju kvaliteta usluga;

- Subnet Bandwidth Management, SBM protokol, koji omogućava kategori-zaciju i prioritete paketa podataka na drugom sloju (Layer 2), odnosno na vodu podataka OSI modela mreže, deljenjem i komutacijom mreže prema standardu IEEE 802;

- ReSerVation Protocol (RSVP), koji obezbeduje signalizaciju da bi omo-gućio rezervaciju mrežnih resursa (postu-pak poznat kao integrisane usluge, engl. Integrated Service);

- Differentiated Services (DiffServ), koji predstavlja jednostavan nacin za ka-tegorizaciju i obezbedenje prioriteta to-kova mrežnog saobraćaja;

- protokol prenosa u realnom vre-menu RTP (Real Time Protocol, RTP), koji obezbeduje sinhronizaciju paketa na

odredi{tu i prenos podataka u realnom vremenu;

- protokol upravljanja u realnom vremenu RTCP (Real Time Control Protocol), koji obezbeduje informacije o kvalitetu prenosa poruka, identifikuje RTP izvor, obavlja nadzor saobraćaja u mreži, itd.;

- protokol komutacije multiproto-kolske labele MPLS (MultiProtocol Label Switching) koji je namenjen za ozna-cavanje, rutiranje, usmeravanje i komuta-ciju saobraćaja, a omogućava upravljanje propusnim opsegom za skupove saobra-ćajnih tokova preko mreže sa rutiranjem i usmeravanjem saobraćaja koji je upra-vljan labelom. MPLS je vi{e protokol „inžinjeringa saobraćaja“, nego {to je protokol kvaliteta usluga.

Pored pomenutih, u protokole kvalite-ta usluga ubrajaju se: protokoli ATM adap-tacionog sloja AAL-1, AAL-2 i AAL-5, Internet protokol verzije 6 (IP v6), multi-pro tokolska komunikacija preko ATM mreže - MPOA, protokoli virtuelnih pri-vatnih mreža (VPN), npr. protokol PPTP.

Hijerarhije i arhitekture QoS

telekomunikacionih mreža

Multimedijalni informacioni sistemi formiraju se nad slojevitom strukturom razlicitih telekomunikacionih mreža koje se mogu predstaviti odredenom hijerar-hijskom strukturom, kao {to je prikazano na slici 1.

Svaka od mreža u prikazanoj hijerar-hijskoj strukturi obezbeduje sopstveni mre-žni QoS [1]. Najniži u hijerarhiji su optic-ki, tj. talasni multipleksni sistemi (Wave Division Multiplex, WDM ili DWDM),

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 5/2004.

459

odnosno opticka kablovska mreža sa tala-snim multipleksnim sistemima.

Na drugom sloju, nad WDM optic-kom mrežom nadgrađuje se mreža plezi-ohronih, odnosno sinhronih digitalnih hi-jerarhijskih prenosnih sistema, tj. kombi-novanih PDH/SDH sistema (Plesiochro-nous Digital Hierarchy/Synchronous Digital Hierarchy).

Na trećem sloju, odnosno nad PDH/SDH mrežom, formiraju se digital-ne mreže integrisanih službi: uskopoja-sna ISDN (Integrated Service Digital Network) mreža (N-ISDN) ili sirokopo-jasna ATM (Asynchronous Transfer Mode) mreža (B-ISDN). Na istom sloju, iz-nad PDH/SDH može biti formirana pa-ketska IP mreža ili MPLS mreža.

Na cetvrtom sloju arhitekture mreža formiraju se, odnosno nadgrađuju multime-

dijalne mreže prema standardima: H.320, H.323, H.324, H.321, H.311 Međunarodne unije za telekomunikacije (ITU-T).

Peti sloj u hijerarhiji cine razne apli-kacije, odnosno multimedijalni informa-cioni sistemi, kao sto su: telemedicina, rad na daljini, obrazovanje na daljini, elektronska trgovina (e-commerce), elek-tronsko bankarstvo (e-banking), elek-tronsko poslovanje, meteoroloski infor-macioni sistemi, vojni komandno-infor-macioni sistemi i dr.

OSI arhitektura protokola

kvaliteta usluga

QoS pojedinih mreža u prikazanoj hijerarhiji, pored ostalog, podržava skup protokola kvaliteta usluga. Uobicajeno je da su ti QoS protokoli pridruženi OSI ar-

460

VOJNOTEHNICKI GLASNIK 5/2004.

hitekturi komunikacionih protokola date mreže. Jedan primer OSI arhitekture mreža sa pridruženim QoS protokolima prikazan je u tabeli 1.

Združivanje QoS protokola

Svaki od navedenih tipova protokola QoS-a može se nezavisno koristiti s kraja na kraj veze, odnosno u komunika-ciji od predajnika do prijemnika. U re-alnim primenama ne desava se da se po-jedinacni QoS protokoli koriste nezavisno, već se kombinuju sa drugim tipo-vima protokola.

Protokoli su projektovani tako da se mogu koristiti sa drugim QoS tehnikama primenjenim izmedu predajnika i prijemnika, a obezbeduju kvalitet usluga „od vr-ha do dna“ (top-to-bottom), odnosno odo-zgo nadole i „s kraja na kraj veze“ (end-to-end). Na slici 2 prikazana je arhitektura nekoliko združenih QoS protokola.

DiffServ je komplementaran proto-kolu RSVP, a zajedno ovi protokoli obezbeduju QoS s kraja na kraj veze. Krajnji racunari mogu koristiti RSVP zahteve sa zadatim parametrima QoS-a (propusni opseg, kasnjenje, džiter, itd.). Granicni ruteri na ulaznim tackama kic-

mene mreže (Backbone network) presli-kavaju RSVP „rezervaciju“ na klase usluga polja TOS (Type Of Service) protokola IP v4, odnosno na DS bajt (polje TOS) u zaglavlju ovog protokola. Na iz-lazu kicmene mreže ponovo se obezbe-duje RVSP, odnosno rezervacija resursa do krajnjeg odredista. Na slican nacin kombinuje se protokol RSVP u lokalnoj racunarskoj mreži (LAN) sa MPLS pro-tokolom u kicmenoj WAN mreži.

Jedan primer združivanja QoS protokola predstavlja skup protokola koji podržavaju paketski prenos govora u IP mrežama, odnosno VoIP. Na slici 3 pri-kazan je postupak formiranja zaglavlja paketa govornog signala, korisćenjem RTP, UDP i IP v4 protokola.

Govorni signal se konvertuje u digi-talni oblik i komprimuje u pakete ili data-grame, primenom algoritma kompresije koji je definisan ITU-T standardom G.723.1. Ramovi - paketi su trajanja 30 ms, pri cemu svaki ram sadrži 24 bajta. Bitski protok je 6,4 kb/s. Na svaki ram -datagram ili paket govornog signala dužine 24 bajta dodaju se zaglavlja protokola IP, UDP i RTP. Formira se zaglavlje dužine 40 bajta na svaki informacioni ram govornog signala i dobija bitski niz protoka

OSI arhitektura sa pridruienim QoS protokolima

Tabela 1

OSI slojevi QoS protokoli Oznaka sloja

Sloj primene (aplikacije) QoS koji omogućuju aplikacije 7. sloj

Sloj prikaza (prezentacije) G. 711; G.722; G.728; G.723.1; G.729; M PEG-1; M PEG-2; M PEG-4; JPEG, JPEG-2000; H.261; H.263; H.263. ver.3; H.320; H.321; H.322; H. 323; H.324; H.324 modifik.; H.310; H.311; T.120 (T.120-T.127) 6. sloj

Sloj sesije (dijaloga) 5. sloj

Sloj prenosa RSVP; RTP; RTCP; MPOA; MPLS 4. sloj

Sloj mreže AAL-1; AAL-2; AAL-5; M PLS; DiffServ; IPv6; IntServ; ATM 3. sloj

Sloj voda podataka ATM; SBM; M PLS; VPN (PPTP) 2. sloj

Fizicki sloj IEEE 802.1.Q; IEEE 802.1p; I.350; G.821; G.826 1. sloj

VOJNOTEHNICKI GLASNIK 5/2004.

461

Host А

1

O'

QoS "od kraja do kraja"

Sl. 2 — Arhitektura zdruzenih protokola kvaliteta usluga:

C.1, C.2, ..., C.8 — cvorovi mreze; 1, 2, ..., 5 — putevi između cvora 1 i cvora 8; Host A, B — racunari A, B

462

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 5/2004.

17,1 kb/s. Sledi kompresija zaglavlja pre-ma standardu RFC 2508 i dobija digitalni signal bitskog protoka 7,5 kb/s. U ovom slucaju primenjena su dva protokola kvali-teta usluga: DiflServ (korišćenjem polja TOS u zaglavlju IP v4) i RTP protokol, koji podržava komunikaciju u realnom vremenu i sinhronizaciju paketa govornog signala.

Arhitektura kvaliteta usluga multimedijalnih mreža

Multimedijalna komunikacija može se realizovati preko razlicitih telekomu-nikacionih mreža, njihovom „nadgrad-njom“ u skladu sa odgovarajućim stan-dardima. U tabeli 2 prikazan je pregled

Tabela 2

Pregled telekomunikacionih i računarskih mre'a i standarda za multimedijalnu komunikaciju i video

konferencijske sisteme

Standardi Funkcija mreže Mreža Video Govor Podaci

H.320 Videokomunikacija preko ISDN mreže ISDN H.261 H.263 G.711 G.722 G.728 T.120

H.323 Videokomunikacija preko IP/TCP racunarskih mreža IP/TCP LAN H.261 H.263 G.711 G.722 G.728 G.723.1 T.120

H.324 Videokomunikacija preko javne komutirane telefonske mreže PSTN ISDN H.261 H.263 G.723.1 G.711 G.722 G.728 7.729 MPEG-1 T.120

H.310 Videokomunikacija preko ATM (prenos preko B-ISDN) ATM Cell Relay MPEG-2 H.261 MPEG-2 G.711 G.722 G.728 T.120

H.321 Videokomunikacija preko ATM standarda zasnovan na H.320 ATM H.261 H.263 G.711 G.722 G.728 T.120

H.322 Videokomunikacija preko mreža sa komutacijom paketa Frame Relay H.261 H.263 G.711 G.722 G.728 G.723.1 T.120

H.324 Modif. Videokomunikacija preko mobilnih mreža GSM (2,5G) UMTS (3G) H.261 H.261 MPEG-4 G.723.1 G.728 WAP T.120

Znacenje skraćenica:

ISDN — Integrated Service Digital Network (digitalna mreža integrisanih službi),

PSTN — Public Switching Telephone Network (javna komutirana telefonska mreža),

LAN — Local Area Network (lokalna racunarska mreža),

ATM — Asynchronous Transfer Mode (asinhroni nacin transfera),

GSM — Global Mobile System (globalni mobilni telefonski sistem),

UMTS — Universal Mobile Telecommunications System (univerzalni mobilni telekomunikacioni sistem),

WAP — Wireless Access Protocol (bežicni protokol pristupa),

H.320, H.323, H.324, H.310, H.322, H.321, H.324.mod — Skupovi protokola Međunarodne unije za telekomunikacije, koji se odnose na videokonferencijske sisteme i multimedijalnu komunikaciju,

H.261, H.263, MPEG-2, MPEG-4 - Standardi za kompresiju/dekompresiju video slike,

G.711, G.722, G.728, G.729, G.723.1 — Standardi Međunarodne unije za telekomunikacije, koji se odnose na kompresi-ju/dekompresiju audio i govornih signala,

T.120 — Skup protokola Međunarodne unije za telekomunikacije, koji se odnose na prenos podataka prilikom multimedijal-ne komunikacije.

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 5/2004.

463

telekomunikacionih i racunarskih mreža i standarda za multimedijalnu komunikaci-ju i videokonferencijske sisteme.

Za sve navedene mreže potrebno je da se arhitekturom protokola obezbedi neophodan kvalitet usluga. Arhitekture QoS protokola nisu standardizovane.

Kao rezultat nastojanja da se obez-bedi arhitektura za QoS upravljanje „s kraja na kraj“ veze, integrisana sa mre-žnokonfigurisanim QoS službama, odno-sno uslugama i protokolima, predloženo je nekoliko razlicitih modela [5]:

- Extended Integrated Reference Model (XRM), razvijen na Columbia Univerzitetu;

- Quality of Service Architecture (QoS-A), razvijen na Lancaster Univerzitetu;

- OSI QoS Framework, koji je pred-ložila ISO SC21 QoS radna grupa;

- Heidelberg QoS Model, koji je razvio IBM-ov evropski mrežni centar;

- OMEGA Architecture, koja je raz-vijena na Pennsylvania Univerzitetu;

- TINA QoS Framework, koji je razvio TINA Konzorcijum;

- IETF QoS Manager (QM), koji je razvio IETF radne grupe za integrisane službe net Architecture na California Univerzitetu;

- End System QoS Framework, koji je razvijen na Washington Univerzitetu.

Za detaljniju analizu interesantne su tri arhitekture QoS-a: XRM, Lancaster i OSI.

XRM model

COMET grupa, na Columbia Uni-verzitetu, razvila je XRM (Extended Integrated Reference Model) model kao okvir za upravljanje i nadzor multimedi-jalnih telekomunikacionih mreža. Ovaj model podeljen je u pet funkcionalnih ravni, sa sledećim funkcijama (slika 4):

- funkcije upravljanja, objedinjene su unutar ravni upravljanja mrežom (N-

upravljanje mrežorn i ststemom / -**agent a i genl

kontrola f resursa Z -■ ^ -ravan f

upravljanje S. -podacima f ■

upravljanje У vezama J i

3

transport i obradm — korisnickih f informacij^f ~ ._grotokoli okoI pristupa —

širokopojasna multimedijalnu

mre'a obrada

Sl. 4 - XRM model

464

VOJNOTEHNICKI GLASNIK 5/2004.

ravan) i obuhvataju OSI (Open Systems Interconnection) funkcionalna podrucja mrežnog i sistemskog upravljanja;

- funkcije kontrole saobraćaja, obje-dinjavaju kontrolu resursa (M-ravan) i kontrolnu ravan (C-ravan);

- funkcije transporta informacija, locirane su unutar korisnicke transportne ravni (U-ravan) i modeliraju protokole medija i entitete za transport korisnickih informacija u mreži i krajnjim sistemima;

- telebaza, pripada tzv. D-ravni i omogućava združeno predstavljanje in-formacija, podataka, kao i odgovarajućih apstrakcija u postojećim mrežama i krajnjim sistemima.

XRM modelira arhitekturu „s kraja na kraj“ kao multiprocesorsku multimedijalnu radnu stanicu ciji su osnovni elementi:

- audio i video jedinica, koja oba-vlja multimedijalno procesiranje;

- ulazno-izlazni podsistem,

- jedinica glavnog procesora.

QoS za odredene klase usluga defi-nisan je preko skupa parametara (kasnje-nje, gubici, džiter, itd.). Metodologija ka-rakterizacije mrežnih resursa prosirena je na krajnji sistem radi definisanja kapaci-teta multimedijalnih uredaja.

Lancaster QoS arhitektura

rekciju džitera i multimedijalnu sinhroni-zaciju, dok transportni sloj sadrži skup QoS konfigurabilnih službi i mehani-zama. Niži slojevi predstavljaju osnovu za QoS podrsku „s kraja na kraj“.

Sl. 5 — QoS-A model

QoS upravljanje se realizuje u tri vertikalne ravni. Ravan protokola, koju cine korisnicke i kontrolna podravan, za-snovana je na principu korisćenja odvo-jenih profila zbog razlicitih QoS zahteva za upravljanje i prenos. Ravan održava-nja QoS-a sadrži mehanizme za nadzor i održavanje pridruženih entiteta protokola. Ravan upravljanja tokom obezbeduje funkcije kontrole pristupa „s kraja na kraj“, QoS bazirano rutiranje i rezervaci-ju resursa, QoS mapiranje (translacija QoS reprezentacije izmedu slojeva) i QoS skaliranje (obuhvata QoS filtriranje i adaptaciju).

QoS arhitektura (QoS-A) jeste sloje-vita arhitektura za opis službi i mehaniza-ma QoS upravljanja, kao i kontrole preno-sa multimedijalnog saobraćaja (slika 5).

Sloj distribuirane sistemske platfor-me obezbeduje multimedijalnu komuni-kaciju i realizovanje željenog QoS-a u objektivnoorijentisanom okruženju. Sloj konfiguracije i sinhronizacije obavlja ko-

OSI QoS arhitektura

OSI radni model predstavlja okvir za definisanje QoS terminologije i kon-cepta, a prvenstveno omogućava identifi-kaciju objekata koji su od interesa za QoS u standardima za otvorene sisteme. QoS objekti i njihove interakcije opisuju se definisanjem skupa QoS karakteristi-ka. Osnovni elementi ovog koncepta su:

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 5/2004.

465

- QoS zahtevi, koji se realizuju pre-ko entiteta QoS upravljanja i održavanja;

- QoS karakteristike, koje predsta-vljaju opis osnovnih QoS merenja koje je potrebno obaviti;

- QoS kategorije, koje obuhvataju grupe QoS zahteva koji se odnose na po-jedinacna okruženja (npr. vremenski kri-ticne komunikacije);

- QoS funkcije upravljanja, koje se mogu primeniti na razlicite QoS karakteristike kako bi se ispunili određeni QoS zahtevi.

Zaključak

Obezbeđenje QoS-a u savremenim telekomunikacionim mrežama predstavlja jedan od dominantnih zahteva pri planira-nju i projektovanju mreže. Primena po-boljsanih tehnologija digitalne obrade sig-nala i algoritama kompresije govora daje

optimalne rezultate samo uz implementa-ciju efikasnog mehanizma (protokola, al-goritma) za realizovanje željenog QoS-a. Pri tome, funkcionisanje ovakvog mehanizma mora biti nezavisno od nacina im-plementacije osnovne mrežne infrastruk-ture (ATM, IP, Frame Relay, ISDN, itd.).

Arhitekture QoS-a analizirane u ovom radu, zasnovane su na slojevitoj strukturi koja je preduslov za obezbeđe-nje kvaliteta usluga „od vrha do dna“ (top-to-bottom) i „s kraja na kraj veze“ (end-to-end).

Literatura:

[1] Jevtović, M.: Kvalitet usluga telekomunikacionih mreža, IBSN 86-903281-1-4, Grafo-@ig, Beograd, str. 228, 2002.

[2] Jevtović, M.: Protokoli kvaliteta usluga, Telekomunikacije, No 2, 2003.

[3] Jevtović, M., Gardasević, G.: Analiza protokola kvaliteta uslu-

ga, Zbornik Konferencije ETRAN-a, Igalo, jun 2003.

[4] QoS protocols & architectures, White Paper, qosport_v.3.doc, www.stardust.com, qosport_v.3.doc, July 1999.

[5] Campbeli, A.; Aurrecoeches, C.; Hauw L.: A Review of QoS Architectures, ACM Multimedia Systems Journal, 1996.

466

VOJNOTEHNICKI GLASNIK 5/2004.