CC BY
116
передачи на случайное количество времени, что может сопровождаться непроизводительными потерями времени до 51,2 мсек.
Радиоканал. Имеет наиболее предпочтительные характеристики передачи. Максимальная задержка передачи определяется не только уровнем коллизий пакетов, но и временными потерями несущей частоты.
Глобальная сеть Интернет. В проводимых исследованиях была предпринята попытка международных переговоров. Минимальное значение обусловлено задержками прохождения пакетов через многочисленные маршрутизаторы, не только связывающие оконечные точки, ной хранящие информацию о возможных маршрутах прохождения пакетов и определяющие оптимальный на данный момент (например, во время проведения эксперимента пакеты передавались последовательно через 18 промежуточных узлов). Максимальное время задержки определяется всеми слагаемыми как модемного соединения, так и слагаемыми, характерными для сегментов локальной сети.
Необходимо отметить, что при проведении измерений использовалось общедоступное бесплатное программное обеспечение, позволяющее организовать передачу речевых сообщений в реальном времени с наименьшими затратами времени и средств широкому спектру пользователей. Недостатком подобной универсальности служит часто неоптимальное использование используемых каналов связи, поскольку не учитываются особенности, присущие конкретному типу оборудования. В частности, при модемных соединениях возможна настройка величины передаваемых пакетов в зависимости от средней величины ошибок передачи. При использовании служебных протоколов глобальных вычислительных сетей возможно
Е. А. АЛЬТМАН
Омский государственный университет путей сообщения
УДК 621.396.7
Качество обслуживания (quality of service, QoS) - это способность сети обеспечивать необходимые условия при передаче трафика. В связи с увеличением объема передаваемых данных и интеграцией различных типов трафика для передачи по одной информационной сети возникает необходимость в механизмах, обеспечивающих требуемое качество обслуживания.
Информационные сети могут иметь различные уровни обеспечения качества обслуживания. Сети, обеспечивающие сервис "с максимальным усилием" (best-effort service) передают данные по мере возможностей. В них не гарантируются доставка пакетов. Эти сети также классифицируют как не поддерживающие качество обслуживания.
Другой уровень QoS предоставляют сети с дифференцированным обслуживанием (с мягким QoS, differentiated service или soft QoS). Они по-разному обрабатывают различные проходящие данные и могут предоставить луч-
накопление статистики о наиболее удачных маршрутах соединений с последующим управлением сетевыми маршрутизаторами.
Приведенные данные можно считать нижней оценкой, поскольку применением комплексного подхода к проблеме улучшения цифровой связи (применением современных алгоритмов сжатия речи, учетом при проектировании сетей и выборе сетевого оборудования особенностей систем передачи речи) возможно значительное улучшение параметров связи.
Дополнительным аргументом может служить высокий экономический показатель подобного рода связи. В зависимости от географической удаленности стоимость переговоров в системах 1Р-телефонии может составлять от 3 до 18% от стоимости традиционных услуг связи. Это является серьезным стимулом для организации, например, международной связи.
Литература
1. Баскаков С И. Радиотехнические цепи и сигналы. -М.: Высшая школа, 1988.
2. Величкин А.И. Передача аналоговых сообщений по цифровым каналам связи. -М.: Радио и связь, 1963.
3. Калинцев Ю.К. Разборчивость речи в цифровых вокодерах. - М.: Радио и связь, 1991.
4. ГОСТ 16600-72 Передача речи по трактам радиотелефонной связи. Требования к разборчивости речи и методы артикуляционных измерений.
СКРИПАЛЬ Олег Валерьевич, аспирант Омскоготосудар-ственного университета путей сообщения.
шее обслуживание для определенного типа трафика. Благодаря разделению передаваемых данных на потоки предотвращается блокирование важного или чувствительного к задержкам трафика (например, голосовых данных) интенсивным, но не требующим срочной передачи (например, пересылка файла). Такой тип сетей также не дает гарантий качества обслуживания.
Сети с гарантированным сервисом (с "жестким" или "истинным" QoS, guaranteed service или hard QoS) обеспечивают гарантированное качество обслуживания. Такой тип обслуживания необходим для некоторых типов трафика, в первую очередь мультимедийного. Гарантированное обслуживание обеспечивается резервированием ресурсов на сетевых устройствах.
Условия, необходимые для передачи трафика, задаются с помощью параметров качества обслуживания. К ним относятся параметры пропускной способности (ее средняя
УПРАВЛЕНИЕ ТРАфИКОМ И КАЧЕСТВО ОБСЛУЖИВАНИЯ В 1Р-СЕТЯХ_
В РАБОТЕ РАССМАТРИВАЮТСЯ ОСНОВНЫЕ РЕШЕНИЯ, НАПРАВЛЕННЫЕ НА ВНЕДРЕНИЯ МЕХАНИЗМОВ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ КАЧЕСТВО ОБСЛУЖИВАНИЯ, В НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННЫЕ 1Р СЕТИ. ДЛЯ ДОСТИЖЕНИЯ ЭТИХ ЦЕЛЕЙ ПРИМЕНЯЕТСЯ ТЕХНИКА УПРАВЛЕНИЯ ТРАФИКОМ, КОТОРАЯ УПРАВЛЯЕТ ПОРЯДКОМ ПЕРЕДАЧИ ПАКЕТОВ ПО ЛИНИЯМ СВЯЗИ.
и минимальная величина), времени задержки (среднее, максимальное, вариация задержки), надежности (процент правильно переданных пакетов). В зависимости от типа трафика критичными будут те или иные параметры.
Простейшим способом выполнения требуемых параметров является использование линии связи с пропускной способностью, намного перекрывающей проходящий трафик. Однако такое решение не эффективно по стоимости. Поэтому ведется разработка протоколов, обеспечивающих качество обслуживания при высокой загрузке линий.
Задача по обеспечению качества обслуживания может быть разбита на три основные части.
На сетевом устройстве должны быть реализованы средства обработки проходящего трафика в соответствии с требованиями качества обслуживания. Все приходящие пакеты помещаются в соответствующие очереди. Очередность дальнейшей передачи пакетов определяется параметрами качества обслуживания. Некоторые пакеты могут отбрасываться, поскольку не могут обработаться без нарушений параметров передачи других пакетов. Может ограничиваться и скорость передачи, чтобы не допустить перегрузку на следующем устройстве.
Скорость прохождения потока данных через сеть определяется наихудшей пропускной способностью сетевого устройства. То же самое можно сказать и про другие параметры качества. Поэтому целесообразно определить на всех узлах одинаковые параметры обслуживания для каждого потока. Для координации работы сетевых устройств используются протоколы сигнализации. При требовании гарантированного качества обслуживания они могут выполнять резервирование сетевых ресурсов для потоков.
Каждое приложение стремится получить обслуживание с максимально высоким уровнем качества. Поэтому в сети с QoS должны выполняться функции управления и учета качества обслуживания, с помощью которых для каждого потока определяются параметры.
Существуют технологии, такие, например, как ATM, которые ориентированны на обеспечение качества обслуживания. С другой стороны, возможно внедрение QoS в широко распространенные технологии, например, IP.
Протокол IP возник в середине 70 годов прошлого века. В то время задача обеспечения качества обслуживания не была актуальной. Поэтому IP- сети работали по принципу "с максимальным усилием".
Тем не менее, в формате IP-дейтаграммы было включено поле type-of-service (тип обслуживания). Это 8-битовое поле содержит в свою очередь два подполя.
Подполе IP Precedence (приоритет операции) занимает первые три бита (с 0 по 2) и определяет срочность доставки пакета. Соответственно имеется восемь уровней приоритетов:
111 - Network Control;
110 - Internetwork Control;
101 - Critical;
100-Flash override;
011-Flash;
010-Immediate;
001 - Priority;
000-Routine;
Для первых двух уровней определен характер использования. Уровень Network Control предполагается использовать для передачи служебной информации внутри распределенной сети. Уровень Internetwork Control должен использоваться для задач, относящихся к маршрутизации.
Второе подполе имеет то же название, что и все поле -type of service. Это подполе состоит из четырех битов (с 3 по 6). Каждый из битов отвечает за определенный параметр качества:
3-D (delay) - минимальная задержка;
4 - Т (throughput) - максимальная пропускная способность;
5 - R (reliability) - максимальная надежность;
6 - С (cost) - минимальная стоимость;
Восьмой бит поля type of service зарезервирован и должен устанавливаться в 0.
Правила обработки этого поля на сетевых устройствах носят рекомендательный характер. По сути, это поле представляет собой простой протокол сигнализации, указывающий сетевым устройствам на параметры качества обслуживания. По этому протоколу нельзя реализовать гарантированное качество обслуживания, однако возможно мягкое QoS.
Для реализации качества обслуживания в IP- сетях используются алгоритмы управления трафиком.
Выражение "управление трафиком" может служить переводом различных английских терминов. В связи с этим в русскоязычной технической литературе можно встретить различные интерпретации этого понятия.
Как управление трафиком часто переводят английское traffic shaping. Другой перевод - формирование трафика. Данный термин означает управление скоростью передаваемых данных. При ограничении количества передаваемых пакетов может предотвращаться перегрузка на дальнейших сетевых устройствах.
Другой английской формулировкой является traffic management. Этот термин также обозначает методы предотвращения перегрузок в сети. В данном случае происходит управление порядком передачи пакетов. В первую очередь передается более приоритетный трафик.
В дальнейшем под управлением трафиком будут пониматься любые методы, связанные с буферизацией пакетов в очередях сетевых устройств с целью повышения качества обслуживания.
При работе с трафиком сетевое устройство должно решить, в каком порядке, с какой скоростью передавать пакеты и какие из них можно отбросить. Естественно, что такие задачи возникают только при перегрузках в сети. Для решения каждой из них существуют соответствующие алгоритмы.
Простейшим алгоритмом определения порядка передачи пакета является FlFO (first fnput first output—первым вошел, первым вышел). Достоинством этого способа является простота. Этот алгоритм используется по умолчанию на сетевых устройствах. Однако при этом нет дифференцированного обслуживания пакетов, следовательно, невозможно поддержание даже мягкого качества обслуживания.
При дифференцированной обработке трафика все пакеты разбиваются на классы. Для каждого класса отводится отдельный буфер, в который помещаются все приходящие пакеты этого класса. Критерии классификации трафика могут конфигурироваться на сетевом устройстве или могут быть выбраны автоматически. В качестве таких критериев могут использоваться подполя IP Precedence, IP TOS, адрес источника, адрес приемника, интерфейс, на который пришел пакет, протокол четвертого уровня или номер порта, или другие поля дейтаграммы.
Передача данных из буферов может идти двумя способами. При приоритетном способе обработки данные передаются строго в соответствии с их приоритетом. В этом случае обеспечивается высокое качество обслуживания только определенного типа трафика. В очередь с высоким приоритетом можно помещать только трафик низкой интенсивности, поскольку в противном случае остальные пакеты передаваться не смогут.
При справедливом обслуживании каходому из классов трафика выделяется определенная часть пропускной способности. По очереди из каждого буфера передается соответствующее выделенной пропускной способности число пакетов. В этом случае все типы трафика получают некоторые параметры качества обслуживания. Такого типа очереди хорошо обрабатывают ситуацию, когда по линии должен передаваться интенсивный, но не чувствительный к задержкам трафик. Другой поток данных, например, чувствительный к задержкам голосовой трафик, не будет
ждать, пока освободится очередь интенсивного трафика, а пройдет через другой буфер.
Возможны несколько типов организации очередей, реализуемых на сетевом оборудовании фирмы Cisco, но с небольшими отличиями большая их часть имеется и на оборудовании других производителей.
Приоритетные очереди (PQ, Priority Queue) обрабатывают данные приоритетным способом. Всем приходящим пакетам назначается один из четырех приоритетов: высокий, средний, нормальный или низкий. По умолчанию все данные попадают в очередь с нормальным приоритетом. Для назначения определенному типу данных другого приоритета необходимо дать соответствующую команду конфигурации.
Настраиваемые очереди (CQ, Custom Queue) обрабатывают данные справедливым образом. Разделение трафика на классы необходимо конфигурировать. Для каждого класса создается буфер, которому определяется пропускная способность. В оборудовании фирмы Cisco можно настроить до 16 буферов. Существует еще один буфер, зарегистрированный для служебных сообщений, который обслуживается приоритетным образом. Пропускная способность задается минимальным количеством байт, которые передаются из соответствующего буфера при их круговом обходе.
Взвешенная справедливая очередь (WFQ, Weighted Fair Queue) также обрабатывает данные справедливым образом. Классификация трафика происходит автоматически. Возможно несколько вариантов деления трафика на классы.
По умолчанию используется основанный на потоках режим взвешенной справедливой очереди (Flow-based WFQ). Под потоком понимаются пакеты, имеющие одинаковый адрес и порт источника и приемника и одинаковое значение поля IP Precedence. Каждый поток образует свою очередь, которая получает пропускную способность в соответствии с указанным в поле IP Precedence приоритетом.
Распределение пропускной способности лучше показать на примере. Предположим, имеется 18 потоков с IP Precedence равным 2, и по одному потоку для остальных значений. Общий вес получается 1+2*18+3+4+5+6+7+8=70, потоку с IP Precedence равным восьми достается 8/80 пропускной способности канала, каждому из 18 потоков по 2/70.
При таком типе очереди для каждого потока резервируется определенная пропускная способность. В случае возникновения новых потоков она может уменьшиться, но при достаточно большой загрузке линии изменения будут не значительны. В результате каждый поток получает достаточно устойчивый канал, с предсказуемыми параметрами качества обслуживания. Благодаря этому, кроме имеющихся преимуществ справедливого обслуживания, такой тип очереди хорошо взаимодействует с адаптирующимися к имеющейся пропускной способности протоколами, например с TCP.
Существуют другие варианты взвешенной справедливой очереди. В них используется другая классификация потоков, в том числе и возможно ручное конфигурирование отдельных очередей.
Второй задачей сетевого устройства при управлении трафиком является решение об отбрасывании пакетов. В простейшем случае отбрасываются пакеты, которые не помещаются в буфер.
На выбор размера буфера влияет ряд факторов. С одной стороны, большой размер буфера позволяет сгладить пульсации трафика. С другой стороны, пакеты в буфере могут устареть и оказаться не нужными (например, при передаче голосового трафика или при повторной передаче). Устаревшие данные будут ненужным образом загружать линию связи.
При использовании очередей оптимальный размер буфера также зависит от типа помещаемых в него данных. Например, для голосового трафика не имеет смысла заво-
дить буфер большого объема. В то же время, для низкоприоритетной очереди, в которую обычно помещается нечувствительный к задержкам трафик, размер буфера можно сделать большим.
Алгоритм случайного раннего обнаружения (Random Early Détection, RED) начинает освобождать буфер до того, как он полностью заполнится. Основная идея заключается в том, что протокол ТСР при обнаружении потери пакета замедляет скорость передачи. Взвешенное случайное раннее обнаружение (Weighted RED, WRED) отличается тем, что при выборе отбрасываемого пакета учитывается поле IP Precedence.
При принятии решения об отбрасывании пакета WRED ориентируется на средние значения заполнения буфера. Используется так называемое экспоненциальное усреднение, параметры которого могут конфигурироваться. После того, как среднее значение превысит некоторый порог, пакеты начнут отбрасываться. Вероятность отбрасывания линейно возрастает при росте длины очереди. После того, как заполнится буфер, будут отбрасываться все пакеты.
Третьим аспектом управления трафиком на сетевом устройстве является скорость передачи пакетов. Не всегда целесообразно передавать пакеты со скоростью линии связи, поскольку может возникнуть перегрузка в следующем сетевом устройстве.
В данном случае оговаривается средняя битовая скорость (Committed Information Rate, CIR). Поскольку фактически данные передаются с большей скоростью, устанавливается максимальный объем трафика, передающегося за раз (Committed Burst, Вс). Очевидно, что Вс не должен превышать объем буфера принимающего устройства. Оговаривается также период усреднения скорости Т. За один период Т можно передать Всбит.
Дополнительные возможности появляются при использовании для передачи сетей Frame Relay. Коммутаторы Frame Relay могут принимать пакеты даже при превышении величины Вс. Такие пакеты помечаются специальным признаком и при возникновении перегрузки будут отброшены в первую очередь. При этом оговаривается допустимое превышение объема пульсации (Excess Burst, Ве), начиная с которого все пакеты начинают отбрасываться. Алгоритмы такого рода носят название "дырявого ведра".
Использование в качестве протокола сигнализации поля IP ToS не обеспечивает резервирование ресурсов и не может использоваться для обеспечения гарантированного качества обслуживания. С этой целью был разработан протокол резервирования ресурсов (Resource Réservation Protocol, RSVP). Работает он следующим образом: источник данных посылает приемнику сообщение, в котором содержится спецификация необходимого трафика. Маршрутизаторы, которые пересылают этот пакет, запоминают, от кого он был получен, чтобы в дальнейшем пакеты между приемником и источником направлялись по одному маршруту. Получив пакет, приемник отправляет в обратном направлении запрос на резервирование ресурсов. При этом он может пересмотреть спецификацию трафика. Маршрутизаторы, получив запрос на резервирование ресурсов, проверяют, имеет ли передающее приложение право резервировать ресурсы и может ли маршрутизатор обеспечить требуемые параметры качества обслуживания. Если резервирование не удалось, маршрутизатор отправляет сообщение об ошибке. Если ресурсы выделены, то маршрутизатор передает запрос далее по направлению к источнику данных. Если запрос о резервировании дошел до источника данных, то резервирование произошло успешно. Зарезервированные ресурсы будут освобождаться по прошествии определенного промежутка времени. Поэтому приемник должен периодически подтверждать резервирование. Возможно также явное освобождение ресурсов со стороны источника или приемника.
Для обеспечения параметров качества обслуживания при их резервировании протоколом RSVP на сетевом
устройстве может применяться взвешенная справедливая очередь. При этом выделяется буфер, параметры обслуживания которого не меняются при возникновении новых потоков. Для резервирования доступна только часть полосы пропускания интерфейса.
При реализации QoS в IP- сетях, особенно при обеспечении гарантированного качества обслуживания, необходимо учитывать возможные потери на устройствах второго уровня. Технология Frame Relay, как было рассмотрено выше, может обеспечить гарантированную полосу пропускания.
Технология ATM также может быть выполнена с обеспечением параметров качества обслуживания. Для этого требуется выполнить резервирование ресурсов сети. При работе в IP- сетях для этого требуется использование протокола резервирования ресурсов, такого как RSVP. В противном случае сеть ATM будет обслуживать 1Р-трафик с "максимальным усилием", из-за чего теряется преимущество данной технологии.
Для коммутируемых сетей семейства Ethernet разрабатываются специальные технологии обеспечения качества обслуживания. Существующие фирменные решения были объединены в стандарт IEEE 802.1p/Q. Данный стандарт предусматривает выделение в формате фрейма Ethernet трехбитового поля, отвечающего за приоритет трафика. Приоритет передаваемых фреймов может обрабатываться методами, аналогичными методам обработки поля IP Precedence.
Для коммутируемых сетей также был разработан протокол сигнализации SBM (Subnet Bandwidth Manager, менеджер ресурсов подсетей). Этот протокол должен взаимодействовать с протоколом QoS верхнего уровня, например, с RSVP. Устройство второго уровня анализирует проходящие через него запросы на резервирование каналов. Эти запросы отправляются менеджеру ресурсов. В том случае, если менеджер решает выделить ресурсы, он передает запрос дальше без изменений, в противном случае возвращает ошибку.
Важной составляющей обеспечения качеств обслуживания является создание политики распределения ресурсов. Политика реализуется в рамках домена. Под доменом понимается участок сети, находящийся под единым административным управлением и в котором действуют единые правила политики, управления и учета.
С точки зрения политики трафик может быть разбит на две категории - трафик собственных пользователей и полученный из другого домена. Выделение ресурсов линий
связи и сетевых устройств пользователям домена является административной задачей наряду с другими правилами работы пользователей. Политика качества обслуживания для пользователей должна задаваться со специального сервера. Подобные,возможности поддерживаются, в частности, в службе каталогов Active Directory Windows 2000.
Взаимодействие доменов строится на соглашении о качестве обслуживания (Service Level Agreement, SLA). В этом соглашении определяются параметры качества обслуживания. Для выполнения соглашения на границе доменов для профилирования должна использоваться соответствующая техника управления трафиком.
В оборудовании фирмы Cisco для этих целей используется техника профилирования Committed Access Rate (CAR). Этот метод позволяет задать правила обработки входящего или выходящего трафика. При превышении определенного ограничения трафика приходящие пакеты могут быть отброшены или переданы дальше с определенным значением поля IP Precedence. При этом можно задавать различные правила для пакетов с разными адресами источника или приемника или другими полями в IP-дейтаграмме. Если внутри домена маршрутизаторы единообразно интерпретируют поле IP Precedence, то различным типам трафика можно предоставить соответствующее обслуживание.
Аналогичным образом должен работать разрабатываемый протокол DiffServ. Маршрутизаторы на границе домена должны записывать в 5 бит поля ToS 1Рдейтаграммы параметры качества обслуживания. Маршрутизаторы внутри домена должны обеспечивать соответствующее качество обслуживания.
Несмотря на достижения в области обеспечения качества обслуживания в IP сетях, они не смогут гарантировать такого же качества обслуживания, как в специально ориентированных на эти цели сетяхАТМ. Резервирование ресурсов в IP сетях требует больших накладных расходов. Разрешенный большой размер кадров не позволяет гарантировать низкую задержку передачи пакетов. Обеспечение качества обслуживания может быть достигнуто только после того, как все сетевые устройства будут его поддерживать. Существуют и другие сложности. Но, тем не менее, в IP сетях может быть достигнут уровень обслуживания, удовлетворяющий большинство приложений.
АЛЬТМАН Евгений Анатольевич, преподаватель кафедры "Автоматика и системы управления".
