CC BY
9ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 004.72
Методы управления качеством обслуживания в мультисервисных сетях абонентского доступа
П.А. Трещановский
Московский государственный институт электронной техники (технический университет)
Исследуется возможность организации сетей мультисервисного абонентского доступа на основе Ethernet-технологий. Проведен анализ методов управления трафиком в Ethernet-сетях. Определены наиболее важные проблемы, требующие решения. Предложен обобщенный подход для решения задачи передачи мультимедийного многоканального трафика на абонентском участке Ethernet-сети.
Ключевые слова: сеть абонентского доступа, Ethernet, коммутатор, качество обслуживания.
Широкое распространение и постоянное наращивание пропускной способности компьютерных сетей создают предпосылки для использования их в качестве универсальной среды предоставления различных информационных услуг, включающих Интернет, телефонию и видео. Применение Ethernet-технологий для решения этой задачи привлекательно в силу их экономичности, гибкости и широкого использования в существующем абонентском оборудовании [1].
Рассмотрим структуру сети мультисервисного абонентского доступа (рисунок) [2]. Абонентский участок сети доступа (ближайший к пользователям) состоит из мультисервисных абонентских блоков - Customer Premise Equipment (CPE), осуществляющих первичное объединение трафика небольших групп абонентов. Данные от нескольких CPE объединяются концентратором доступа - Access Node (AN), связь с которым осуществляется с помощью одной из технологий «последней мили»: xDSL, xPON и др. Метод передачи от узла доступа к более высоким уровням сети не зависит от типа абонентской линии (в данном случае используется интерфейс Ethernet). Шлюз широкополосной сети - Broadband Network Gateway (BNG) - передает данные в глобальную сеть, реализует IP-маршрутизацию трафика, а также выполняет ряд функций прикладного уровня: аутентификацию абонентов, учет переданного трафика и т.д. Подключение узлов доступа к BNG осуществляется через объединяющую сеть, состоящую из Ethernet-коммутаторов. Для построения объединенной сети необходимо обеспечить передачу разнородного трафика с соблюдением требований к качеству обслуживания для каждого вида данных.
Современные мультисервисные сети абонентского доступа должны предусматривать предоставление абонентам набора услуг с точно установленными значениями параметров качества обслуживания - Service Level Agreement (SLA). Международный
© П.А.Трещановский, 2010
Структурная схема сети абонентского доступа
стандарт организации Metro Ethernet Forum (MEF) определяет модель Ethernet-сети для предоставления мультисервисных услуг, согласно которой каждому виду трафика соответствует свой класс обслуживания - Class of Service (CoS).
Каждый CoS сети мультисервисного доступа характеризуется следующими важнейшими параметрами: профиль канала передачи, кадровая задержка, вариация кадровой задержки. Профиль канала передачи определяется гарантированной усредненной пропускной способностью - Commited Information Rate (CIR), гарантированным размером непрерывно передаваемой последовательности кадров (всплеска трафика) -Commited Burst Size (CBS), пиковой усредненной пропускной способностью - Excess Information Rate (EIR), максимальным размером всплеска трафика - Excess Burst Size (EBS) [3]. Требования к параметрам качества обслуживания для разных видов трафика определены международными стандартами (табл.1). Однако методы, обеспечивающие в общем виде решение задачи управления мультимедийным трафиком для Ethernet-сетей, до настоящего времени не предложены. С целью выработки продуктивных подходов в этом направлении проанализируем известный опыт.
Таблица 1
Общие требования к качеству передачи для разных видов трафика
Параметр Вид трафика
голос видео данные
Скорость трафика Низкая 4-64 кбит/с Высокая 2-10 Мбит/с Умеренная 1-5 Мбит/с
Допустимая задержка Малая Средняя В широких пределах
Допустимый пакетный джиггер Низкий Низкий В широких пределах
CIR + + -
EIR - - +
CBS + + -
EBS - - +
Примечание. Символами «+» и «-» обозначены соответственно необходимость и отсутствие необходимости задания параметра.
Необходимым условием решения задачи обеспечения QoS является разделение данных по видам сервиса и по абонентам. Признак принадлежности к конкретному потоку может передаваться в поле заголовка канального или более высокого уровня, например в VLAN-метке Ethernet-кадра [4] или в поле ToS IP-пакета. По этому признаку для каждого кадра может быть определен требуемый класс обслуживания. Для обеспечения качества обслуживания в соответствии с CoS необходимо дифференцированное управление потоками данных по различным видам сервиса. Эта задача значительно усложняется на абонентском участке сети, особенно при работе по медному кабелю, из-за физического ограничения по скорости передачи и концентрации трафика нескольких абонентов.
Традиционно допустимой считается потеря части передаваемого трафика при переполнении буферов объединяющих узлов (коммутаторов) в моменты пиковой загрузки, поскольку протоколы транспортного уровня (TCP) гарантируют в конечном итоге доставку кадров путем их повторной отправки. В случае мультимедийного трафика повторная отправка на транспортном уровне приводит к нежелательным задержкам, поэтому необходимо чтобы сеть доступа обеспечивала доставку кадров без потерь. Однако даже при выполнении этого условия многократное прохождение кадров через FIFO-буферы коммутаторов приводит к появлению недетерминированного джиттера, для уменьшения которого необходимо предусматривать приоритетное обслуживание мультимедийной части трафика.
Для выбора оптимального механизма продвижения кадров в коммутаторах необходимо учитывать влияние алгоритмов управления трафиком на параметры качества обслуживания, особенно принципов организации очередей кадров, ожидающих отправки, и алгоритмов выборки кадров на передачу из соответствующих буферов (табл.2). Сложность выбора наиболее подходящего алгоритма обусловлена противоречивыми требованиями к передаче разных видов трафика. Для компьютерных данных оптимальным решением является общий буфер кадров, обеспечивающий наибольшую среднюю величину пропускной способности устройства. Для организации дифференцированного обслуживания разных абонентов в таком буфере создаются логические очереди с алгоритмом выборки, обеспечивающим в среднем необходимое разделение полосы пропускания. Наиболее известные алгоритмы такого рода - Round Robin (круговая выборка), обеспечивающий равномерное разделение канала, и Weighted Fair Queueing (взвешенная выборка) [5], разделяющий канал в соответствии с весовыми коэффициентами очередей. Эти алгоритмы распределяют пропускную способность общего канала в нужной пропорции, однако не гарантируют приоритетной выборки мультимедийного трафика, что приводит к недопустимому возрастанию джиттера.
Таблица2
Качественная оценка алгоритмов управления трафиком
Алгоритм Тип данных Назначение Качество функционирования
Round Robin TCP/UDP Определение порядка выборки Простейший способ упорядочивания потоков
Weighted Fair Queueing TCP/UDP Определение порядка выборки Возможность задания различных значений CIR
Random Early Detection TCP Регулирование скорости потока Обеспечивает регулирование скорости TCP-потока
Leaky Bucket TCP/UDP Регулирование скорости потока Предотвращает наводнение сети приоритетным трафиком
Таким образом, рассмотренные методы управления ориентированы главным образом на сети, основным критерием качества функционирования которых является средняя пропускная способность. Таковыми являются сети передачи компьютерных данных по транспортному протоколу TCP. В то же время попытки предоставления отдельным потокам данных строгих гарантий снижают общую эффективность этих сетей, так как даже при отсутствии в конкретный момент времени высокоприоритетных данных коммутатор должен резервировать для них часть своих ресурсов, прежде всего буферную память. Оптимизировать управление очередями коммутатора при использовании TCP-протокола помогает алгоритм случайного отбрасывания кадров из близких к заполнению очередей - Random Early Detection (RED) [6]. С его помощью отправитель узнает о высокой загруженности сети и снижает скорость передачи, что на большом интервале времени уменьшает количество повторных отправлений пакетов по протоколу TCP и увеличивает тем самым среднюю пропускную способность сети. В терминологии MEF описанный коммутатор обеспечивает наибольшие значения параметров EIR и EBS (соответственно максимальной скорости и размера всплеска) профиля канала передачи, пренебрегая параметрами CIR и CBS (соответственно гарантированной скоростью и размером всплеска).
Для передачи мультимедийного трафика необходимо обеспечить соответствие канала заданным значениям CIR и CBS. Кроме того, следует обеспечить приемлемые задержку и джиттер. Это приводит к необходимости совершенствования структуры и алгоритма работы коммутатора. В частности, для получения нужного профиля канала целесообразно использовать отдельный буфер кадров для каждого потока, требующего канал с гарантированными параметрами. При этом размер буфера должен быть не меньше CBS. В случае общего буфера гарантированный размер передаваемого всплеска равен нулю, что делает бесполезными любые меры по улучшению прочих параметров QoS, так как коммутатор не гарантирует передачу даже одного кадра.
Правила выборки на передачу данных из буферов должны определяться параметром CIR, а также допустимыми задержкой и джиттером. Предполагается, что необходимый уровень CIR обеспечит взвешенная выборка для каждого потока (в том числе мультимедийного) с помощью установки соответствующих весовых коэффициентов. Однако недостатком этого алгоритма является непредсказуемая и часто чрезмерная задержка и джиттер передачи кадров, что приводит к сбоям при воспроизведении мультимедийных данных или требует большого буфера для сглаживания джиттера, который, в свою очередь, вносит дополнительную задержку. Алгоритм работы планировщика даже при наличии одного приоритетного кадра не учитывает строгой приоритетности трафика и может выбрать кадр из низкоприоритетной очереди.
Наилучшие временные параметры могут быть обеспечены выборкой со строгим приоритетом. Для этого кадры из менее приоритетной очереди не выбираются до тех пор, пока не будет выбрана до конца более приоритетная очередь. Максимальная задержка, вносимая коммутатором при обработке самого приоритетного трафика, складывается из времени приема кадра, времени передачи, а также времени передачи кадра максимального размера. Первые две составляющие задержки являются постоянными, их значения зависят от скорости портов коммутатора и размера кадра согласно используемому алгоритму пакетизации голоса или видеосигнала. Третья составляющая вносит свой вклад в случаях, когда получение приоритетного кадра происходит в момент начала передачи кадра из другой очереди. Она также проявляется как джиттер, вносимый коммутатором. В целом при заданных скоростях передачи временные характеристики, обеспеченные таким образом, являются предельно достижимыми для сетей с коммута-
цией пакетов. Переменную составляющую задержки можно исключить лишь путем принудительного прекращения уже начавшейся передачи низкоприоритетного кадра.
В то же время, несмотря на выигрышные временные параметры, выборка со строгим приоритетом обладает существенным недостатком - параметр CIR задается только для самого приоритетного потока и равен общей скорости канала, в то время как для остальных потоков CIR равен нулю. Даже при отсутствии требований гарантии скорости для каждого абонента необходимо предусмотреть как минимум два потока с обеспечением параметра CIR - для доставки голосовых и видеоданных. Очевидно, что выделяемая пропускная способность должна быть ограничена хотя бы из-за недостаточных возможностей абонентского участка сети. Для этого может быть использован алгоритм «дырявого ведра» (Leaky Bucket) [7], который позволяет предоставить ненулевой CIR нескольким потокам, сохранив при этом наименьшие задержку и джиттер, свойственные приоритетной выборке.
Особое внимание должно быть уделено установке приоритетов и ограничений по параметрам для разных видов сервиса. Голосовые данные являются крайне чувствительными и к задержке передачи, и к джиттеру, хотя их доля в общем трафике незначительна. Исходя из этого, голосовому потоку можно назначить наивысший приоритет без существенного влияния на другие потоки. Ближе к абонентскому участку сети максимальная скорость может быть равной сумме скоростей всех телефонных каналов, передаваемых по одной физической линии. В объединительных узлах целесообразно использовать концентрацию трафика с коэффициентами, типичными для традиционных телефонных сетей.
С учетом рассмотренных ранее требований видеопоток получает второй приоритет при наибольшем значении CIR. Скорость потока ограничивается исходя из количества предоставляемых каналов в узлах, граничащих с абонентом. В объединяющих узлах ограничение зависит от конкретного вида предоставляемой услуги. В случае IPTV видеотрафик передается с помощью групповых рассылок (multicast) с сервера, генерирующего единый поток, дублируемый в точках ветвления сети. Резервируемая пропускная способность в агрегирующей сети не зависит от числа абонентов и определяется количеством предоставляемых TV-программ. Для видео по запросу можно применять концентрацию трафика как для телефонной связи. Оставшаяся часть пропускной способности канала может быть предоставлена компьютерным данным. Для этого потока достаточно использовать общий буфер с логическими очередями, управляемыми по алгоритму RED. Дифференцированное обслуживание трафика отдельных абонентов в низкоприоритетном потоке целесообразно организовывать с помощью WFQ.
Рассмотренные выше принципы построения сетей мультисервисного абонентского доступа и методы управления пакетным трафиком имеют следующие недостатки:
- отсутствие единого формализованного подхода к построению сетей затрудняет решение практических задач с учетом конкретных условий, требований и ограничений;
- существующая модель канала и система параметров для поддержания необходимого качества обслуживания недостаточно учитывает свойства мультимедийного трафика, особенно при использовании современных методов кодирования сигналов, в частности H.264. Это вынуждает резервировать избыточную пропускную способность канала и снижает эффективность работы сети;
- рассмотренные методы поддержания параметров QoS слабо учитывают статистические свойства трафика, прежде всего мультимедийного, и поэтому неэффективны для многоканального мультисервисного абонентского доступа при ограниченной пропускной способности канала.
Для решения сформулированной задачи предлагается следующий подход.
1. С учетом необходимости оптимизировать многоканальную передачу разнородного трафика следут использовать более гибкую систему параметров QoS на основе вероятностной модели мультимедийных потоков.
2. Для передачи голоса следует использовать обслуживание со строгим приоритетом. Ввиду низкой скорости голосовых каналов динамическими свойствами этого вида трафика можно пренебречь. Для обеспечения гарантированной доставки резервируется буфер фиксированного размера в расчете на среднее число активных каналов.
3. Для передачи видеоканалов необходимо установить суммарную динамически изменяемую гарантированную скорость, обеспечивающую прохождение каналов с учетом их статистических свойств. Всплески трафика демпфируются буферами. При выборке кадров на передачу видеопотоку следует назначить второй приоритет после голосового трафика.
4. Интернет-данным отводится оставшаяся (динамически меняющаяся) часть общего канала. Для всех абонентов используется общий буфер. Упорядочивание трафика достаточно производить традиционными методами.
Таким образом, сформулированный подход позволяет решать широкий круг задач по предоставлению мультисервисного многоканального доступа в условиях ограниченной пропускной способности абонентского участка сети.
Литература
1. Kasim A. Delivering carrier Ethernet. - McGraw-Hill, 2008. - 578 p.
2. Cohen A., Shrum E. Migration to Ethernet-Based DSL Aggregation. - Digital Subscriber Line Forum, 2005. - P. 101.
3. Metro Ethernet network architecture framework. P. 1: Generic Framework. - The Metro Ethernet Forum, 2004. - P. 26.
4. IEEE Standard for local and metropolitan area networks: virtual bridged local area networks // IEEE Computer Society, 2006. - 286 p.
5. Chao H., Guo X. Quality of service control in high-speed networks. - John Wiley & Sons, 2002. -P. 432.
6. Floyd S., Jacobson V. Random early detection gateways for congestion avoidance // IEEE/ACM Trans. on Networking. - 1993. - Vol. 1, N 4. - P. 397-413.
7. Traffic Management Specification Version 4.0. - ATM Forum, 1996. - 100 p.
Статья поступила после доработки 28 декабря 2009 г.
Трещановский Павел Александрович - аспирант кафедры телекоммуникационных систем МИЭТ. Область научных интересов: телекоммуникации, мультисервисные сети абонентского доступа. E-mail: paveltaoffice@gmail.com
