Влияние качества обслуживания на коммутацию IP-пакетов

В данной статье рассматриваются методы обеспечения качества обслуживания в IP-сетях, а также определение преимуществ и недостатков существующих методов качества обслуживания. Представлены основные подходы к решению задачи обеспечения гарантированного качества обслуживания в IP-сетях, базирующиеся на моделях интегрированных и дифференцированных услуг.

Ключевые слова: Качество обслуживания, задержка, потери, джиттер, IP-пакеты, полоса пропускания, интегрированный сервис, дифференцированный сервис, протокол резервирования сетевых ресурсов, класс обслуживания, приоритет.

Исследования по вопросу изменения структуры трафика показали, что сегодня наблюдается тенденция роста приложений на основе IP протоколов. IP-телефония активно вытесняет телефонию общественного пользования и традиционный междугородный трафик. Также растет интерес пользователей к интерактивному телевидению (IPTV), несмотря на его достаточно высокую стоимость. Обеспечивается этот интерес за счет широкого набора услуг, таких как видео-по запросу, отложенный просмотр, запись эфирных телепередач и др. В глобальном Интернете темп роста видео трафика опережают все остальные и, по исследованиям аналитического подразделения Cisco, в 2013 г. составили более 60 % всего IP-трафика [3].

К сожалению, развитие IPTV в России замедляет низкое качество каналов у большей части операторов связи. Видео очень критично к потере IP-пакетов и/или их задержке. Соответственно возникает необходимость в динамическом перераспределении пропускной способности для обеспечения, требуемого QoS (качества обслуживания) приложениям реального времени.

Сети с коммутацией каналов и пакетов постепенно эволюционируют в направлении создания одной общей инфраструктуры, базирующейся на протоколах IP. Этот процесс называется конвергенция. Однако процесс конвергенции протекает достаточно медленно, и проблема обеспечения необходимого качества обслуживания становится актуальной. Для реализации преимуществ конвергенции в сетях с IP протоколами, требуется разработать новые принципы распределения ресурсов сети и управление трафиком, которые смогут гарантировать различные уровни показателей качества обслуживания для большого и разнообразного числа приложений, реализуемых конечными пользователями [5]. При этом распределение ресурсов и механизмы управления трафиком должны быть скоординированы в условиях наличия большого числа различных приложений с разными требованиями к сетевым характеристикам (табл. 1).

Таблица 1

Чувствительность различных видов трафика к сетевым характеристикам

Рассмотрим основные сетевые характеристики, касающиеся качества обслуживания.

Производительность сети определяется как эффективная скорость передачи данных, измеряется в битах в секунду.

Надежность сети определяется через ряд параметров. Наиболее часто используемый параметр, это коэффициент готовности, который вычисляется как отношение времени работоспособности сети без простоя к общему времени наблюдения за сетью. В идеальных условиях коэффициент готовности должен равняться 1, что означает стопроцентную готовность сети, без простоев и отказов. На практике же коэффициент готовности оценивается числом «девяток». Например, «три девятки» или 0,999 означает, что коэффициент равен 8,79 часам простоя сети за год. Коэффициент готовности для ТфОП оценивается в «пять девяток», т. е. всего 5,5 минут простоя в год.

Задержка (delay). Эта характеристика определяется как время, за которое пакет поступает на вход сети в момент  и выводом пакета из выходной точки сети в момент , где (>). Другими словами, задержка — это время доставки пакета между источником и получателем, для всех пакетов — как успешно принятых, так и искаженных. Средняя задержка передачи зависит от типа передаваемого трафика и от полосы пропускания. Рост нагрузки и/или уменьшение полосы пропускания приводит к росту очередей в узлах сети и, следовательно, к увеличению средних задержек доставки пакетов.

Джиттер (jitter). Эта характеристика определяется как колебание задержки, которое возникает при передаче различных пакетов. Например, если для передачи одного пакета по сети требуется 50 мсек, а для передачи другого — 65 мсек, то колебание задержки составит 15 мсек.

Потери пакетов (packet loss). Эта характеристика определяется как отношение общего числа потерянных пакетов к суммарному числу отправленных пакетов. Потери пакетов в сетях IP возникают в том случае, если значение задержки при передаче превышает допустимое значение.

Ошибки пакетов (packet error). Эта характеристика определяется как общее число пакетов, принятых с ошибками, к сумме успешно принятых пакетов.

В классических сетях IP, в отличие от сетей с коммутацией каналов, применяется метод доставки, исключающий любую форму организации соединений — как физических, так и виртуальных. Этот метод основан на передаче пакетов-дейтаграмм. Далее рассмотрим основные модели обеспечения QoS:

Качество доставки в традиционных сетях IP базируется на принципе так называемой «наилучшей попытки» (Best effort). Концепция «наилучшей попытки» предполагает, что трафик передается с максимально возможной скоростью, но при этом не гарантирует обеспечение определенного уровня качества обслуживания. Подход «наилучшей попытки» отлично подходит для приложений, где данные можно передавать не в реальном времени (электронная почта, передача данных). Минус данного подхода заключается в следующем: отсутствует различие между разными видами трафика, нет гарантии в доставке пакетов в правильном порядке, и что он будет доставлен вовремя или вообще будет доставлен.

При недостатке сетевых ресурсов, увеличивается вероятность потерь пакетов и рост их задержек. Для приложений реального времени это критично. Для обеспечения соответствующего QoS в IP-сетях международная организация IETF (Internet Engineering Task Force) определила две основные модели: Integrated Services (IntServ) и Differentiated Services (DiffServ) [1].

Интегрированный сервис (Integrated Service). Модель интегрированного сервиса предоставляет сквозное (End-to-End) качество обслуживания, гарантирует необходимую пропускную способность каналов. IntServ использует протокол сигнализации RSVP (протокол резервирования сетевых ресурсов — Resource ReSerVation Protocol), который обеспечивает выполнение требований ко всем промежуточным узлам [6]. Протокол работает следующим образом: источник до передачи данных, требующий нестандартного качества обслуживания (например, постоянной полосы пропускания для передачи голоса) отсылает по сети специальные сообщения содержащие данные о типе передаваемой информации и требуемой пропускной способности. Сообщение передается каждому маршрутизатору от отправителя до получателя, при этом формируется последовательность маршрутизаторов, где требуется зарезервировать определенную полосу пропускания. Если требуемая пропускная способность возможна, то маршрутизатор определяет алгоритм обработки пакетов таким образом, чтобы данному потоку всегда предоставлялась требуемая полоса пропускания, а затем передает сообщение следующему маршрутизатору. В результате по всему маршруту от отправителя до получателя резервируется требуемая полоса пропускания.

Дифференцированное обслуживание (Differentiated Service). Модель дифференцированного обслуживания предполагает наличие связанных областей сети (DiffServ-доменов), в регионе которых проводится общая политика по классификации трафика. Классификация построена на анализе заголовка пакета. В результате классификации каждому пакету присваивается номер класса обслуживания, заранее определенного в данном DiffServ-домене. Такой номер класса обслуживания называется DiffServ Code Point (DSCP) [4]. Значение DSCP фиксируется в заголовке IP-пакета в поле Type of Service (ToS). Маршрутизаторы в домене обрабатывают значение DSCP и в соответствии с этим значением передают пакет следующему маршрутизатору, гарантируя при этом требуемые характеристики для определенного класса обслуживания. Другими словами, на сетевых узлах хранится только правило обработки пакетов, а в каждом пакете указаны все данные, необходимые для его доставки получателю. Правильная передача пакетов обеспечивается за счет того, что все устройства в домене выполняют одинаковый алгоритм обработки пакетов.

Интегрально-дифференцированное обслуживание (Integrated Services Operation over Diffserv Networks).

Стандарт RFC2998 описывает принципы взаимодействия двух моделей: IntServ/RSVP и DiffServ. Слабые места одной модели дополняются преимуществами другой. Главная проблема при взаимодействии — это соответствие ресурсов, запрашиваемых через RSVP и предоставляемых в DiffServ-регионе. Возможны два варианта организации взаимодействия протоколов:

В первом случае общая работа построена на статическом соглашении клиента с оператором SLS (спецификация уровня сервиса). В этом случае описывается значение пропускной способности в DiffServ-сети: Ax отправляет сообщения маршрута, которые направленны к узлу Bx через DiffServ-домен (Рис.1).

Рис. 1. Модель интегро-дифференцированного обслуживания

При прохождении через DiffServ-домен RSVP-сообщения не учитываются, и они передаются как обычный пакет с данными. Узел Bx, получая сообщение о маршруте от узла Ax, формирует запрос на резервирование RESV, который затем передается обратно к узлу Ax. При успешной обработке запроса каждым маршрутизатором сообщение RESV достигает маршрутизатора A1, который на основании SLS сравнивает ресурсы, запрашиваемые в сообщении RESV, и ресурсы, доступные в DiffServ-регионе. Если A1 подтверждает запрос, информация RESV отсылается далее к узлу Ax. В противном случае сообщение отвергается, и узлу Bx отправляется оповещение об ошибке.

Второй вариант предполагает, что пограничные маршрутизаторы в DiffServ-домене поддерживают протокол RSVP. Порядок обмена RSVP-сообщениями такой же, как и в предыдущем случае. Однако благодаря поддержке RSVP в DiffServ-домене блок управления доступом является частью DiffServ-сети. В результате маршрутизатор An имеет возможность непосредственно обработать RSVP-запрос, исходя из доступности ресурсов [2].

Управление качеством обслуживания в IP-сетях

Обеспечить гарантированное качество услуг в сети с большим количеством различных потоков информации и с приемлемой пропускной способностью возможно только при наличии высокоэффективной системы управления. Общая схема функционирования механизмов динамического управления ресурсами сети заключается в следующем. Каждому классу услуг определен приоритет и скорость передачи, в сумме не превышающая значение пропускной способности канала.

Рассмотрим пример расчетов управления качеством обслуживания. Для этого весь трафик был разделен на следующие классы обслуживания:

-                   класс 1 — Интернет-ресурсы (электронная почта, передача данных, просмотр Web-сайтов и др.);

-                   класс 2 –услуги виртуальной частной сети (VPN соединение);

-                   класс 3 — потоковый трафик (видео по запросу и IP-телевидение);

-                   класс 4 — интерактивный трафик (IP-телефония, видеоконференцсвязь).

Сегодня для эффективной работы сети считается загрузка 70 % от полосы пропускания. Для примера рассмотрим канал Ethernet 100 Мбит/с. Исходные расчетные данные (скорость обслуживания и приоритет), зависят от числа пользователей сети и требуемой емкости на один поток, а также данные об испытываемой задержке пакетов в момент времени t приведены в табл. 2.

Таблица 2

Значение параметров для каждого класса обслуживания

Согласно табл. 2, для 4-го класса услуг, чувствительного к задержке пакетов, не выполняются ограничения QoS. При этом для всех остальных классов задержки пакетов не превышают предельного значения. Соответственно имеется возможность воспользоваться выделенными ими ресурсами с целью снижения задержки для класса 4.

Исследование показало, что средняя задержка пакетов каждого класса до и после применения алгоритма перераспределения улучшается приблизительно на 28 %. Можно предположить, что значение параметра задержки пакетов варьируется в зависимости от передаваемого трафика, топологии сети, оборудования и т. д., но в целом эффект применения метода очевиден.

Заключение

Решение задачи по предоставлению требуемого качества обслуживания в сетях IP может быть получено прямым путем — предоставить гарантированную полосу пропускания. Однако, наиболее выгодным представляется применение гибких методов, которые позволяют обеспечить необходимые показатели качества обслуживания при эффективном использовании ресурсов сети для большого набора различных приложений, включая и наиболее критичные аудио и видео приложения реального времени. С помощью эффективной системы управления в IP сетях можно добиться требуемого качества обслуживания.

Литература:

1.         Копачев А. Г. Методы управления трафиком в мультисервисных сетях // Информатизация образования. 2004, № 4 — с. 69–74

2.         Листопад Н. И. Обеспечение качества обслуживания / Н. И. Листопад, И. О. Величкевич // Доклады БГУИР: научный журнал. 20112. № 4.

3.         Рекомендации Cisco по развитию сети ШПД МРК, Cisco Visua lNetworking Index–Forecast, 2008–2013.

4.         Рекомендации RFC 2475 — Архитектура дифференцированного обслуживания (DiffServ).

5.         Яновский Г. Г. Современные проблемы науки в области телекоммуникаций (эволюция и конвергенция): Электронный учебник. СПб.: СПбГУТ им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, 2008. 163 с.

6.         Bernet R. RFC2998 — Integrated Services Over Diffserv Network // Rfc editor [Электронный ресурс]. — 2000 — http://www.rfc-editor.org/rfc/rfc2998.txt — дата доступа 15.01.2009