ТЕХНОЛОГИИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ОБСЛУЖИВАНИЯ В МУЛЬТИСЕРВИСНОЙ СЕТИ СВЯЗИ

TECHNOLOGIES FOR ENSURING THE QUALITY OF SERVICE IN A MULTISERVICE COMMUNICATION NETWORK

Растущая популярность мультисервисных сетей связи - одна из наиболее очевидных тенденций на российском рынке телекоммуникационных услуг в последние годы. Эта сетевая услуга предназначена в основном для компаний, которые сосредоточены на интенсивном развитии, оптимизации затрат, автоматизации процессов, современных методах управления и информационной безопасности. Наиболее эффективное применение мультисервисных сетей можно найти у традиционных операторов связи, что значительно расширяет спектр предоставляемых услуг. Для корпоративного рынка объединение всех удаленных отделов в мультисервисную сеть может повысить эффективность обмена информацией на порядок, тем самым обеспечивая доступность данных в любое время. Благодаря возможности обмена большими объемами данных между предприятиями, вы можете организовывать конференцсвязь и видеоконференции с удаленными отделами. Все это ускоряет реакцию на изменения и обеспечивает оптимальный контроль над всеми процессами в режиме реального времени.

Мультисервисная сеть - это универсальная многоцелевая среда, предназначенная для использования технологии коммутации пакетов (IP) для передачи голоса, изображений и данных. Она характеризуется типичной надежностью телефонной сети (в отличие от негарантированного качества связи в Интернете) и низкой стоимостью передачи на единицу информации (близкой к стоимости передачи данных в Интернете). Основная задача мультисервисной сети - обеспечить работу разнородных информационных и телекоммуникационных систем и приложений в единой среде передачи.

Качество обслуживания (Quality of Service, QoS) определяется как мера производительности передающей системы, отражающая качество передачи и доступность услуг.

Качество трафика определяется следующими факторами:

потери пакетов (Packet Loss) - отношение безошибочно принятых пакетов к общему количеству пакетов, переданных по сети;

задержка (Delay) - время, требуемое пакету для того, с момента передачи дойти до конечной точки назначения:

колебания задержки (Packet Jitter) - разница между сквозным временем задержки, которая возникает при передаче по сети разных пакетов;

пропускная способность (Bandwidth) - общее количество данных, которые могут быть переданы в единицу времени между двумя точками присутствия оператора.

В пакетной сети в информационном потоке может передаваться разнородный трафик с ключевыми и вспомогательными параметрами. Передача аудио- и видеоданных требует разных требований к QoS. Передача видео требует высокой пропускной способности и стабильной задержки передачи. В этом случае во избежание искажения изображения требуется фиксированный поток данных. Полоса пропускания, необходимая для интерактивной передачи звука, меньше, чем полоса пропускания, необходимая для передачи видео, но для прохождения пакетов данных по сети требуется меньшая задержка, иначе возникнет «эхо».

В соответствии с Рекомендацией ITU Y.1541 [1] услуги MCC классифицируются по категориям качества услуг на основе значения характеристик передачи IP-пакетов: задержки передачи, изменения задержки передачи и доли потерянных пакетов, данных из-за неправильной передачи. В той же рекомендации перечислены примеры услуг, связанных с каждым введенным уровнем качества IP-доставки.

Класс 0 - потоковая передача в реальном времени с высокой интерактивностью и чувствительностью к изменениям задержки (высококачественная пакетная телефонная связь и видеоконференцсвязь).

Класс 1 - потоковая передача в реальном времени, интерактивная и чувствительная к изменениям задержки (групповой телефон, видеоконференция).

Класс 2 - высокоинтерактивные транзакции данных (передача сигналов).

Класс 3 - транзакции данных, интерактивные.

Класс 4 - стириминг (массивы данных, потоковое видео), которые чувствительны к информации, потерянной при передаче информации по сети.

Класс 5 - традиционные приложения с характеристиками передачи по умолчанию.

В мультисервисной сети в определенных направлениях может возникать перегрузка. Эта перегрузка может вызвать значительное падение качества передачи трафика и даже вызвать отключение и перезапуск отдельных сетевых узлов и всей сети.

Причины перегрузки:

  • пользовательский трафик неравномерный во времени;
  • недостатки сетевого дизайна;
  • отказ сетевого элемента;
  • отсутствие механизмов контроля трафика;
  • неквалифицированное вмешательство технических специалистов.

Управление трафиком - это основной инструмент управления качеством предоставляемых услуг.

Инструменты управления трафиком включают:

  • управление договором трафика (SLA);
  • управление пропускной способностью;
  • управление маршрутизацией;
  • управление очередью;
  • управление перегрузками.

 

Рассмотрим эти инструменты управления трафиком более подробно.

Контракт на управление трафиком.

Управление трафиком начинается с достижения соглашения между клиентом и поставщиком о предоставлении услуг и подробного списка предоставляемых услуг (соглашение об уровне обслуживания, SLA).

SLA должно определять следующие моменты:

  1. Параметры потока от клиента (файл конфигурации).
  2. Алгоритмы, используемые для измерения и настройки параметров трафика.
  3. Показатели качества обслуживания.
  4. Методы измерения этих показателей.
  5. Согласование тарифных планов.
  6. Санкции за нарушение гарантии QoS.
  7. Дополнительные условия, такие как зависимость индикатора от дня недели, времени суток и т. д.

Управление пропускной способностью.

Общая пропускная способность последовательного канала от отправителя к получателю равна минимальной пропускной способности составляющих его элементов. Управление полосой пропускания достигается за счет расширения полосы пропускания, динамического использования и резервирования.

Управление маршрутизацией пакетов.

Маршрутизация контролируется путем изменения информации о маршрутизации (планирование и изменение таблицы маршрутизации) и основана на динамической маршрутизации, такой как стоимость маршрутизации, время ожидания и другие показатели QoS.

Управление очередью пакетов на узле связи.

Управление очередью, классифицируя входящий трафик, ограничивая или уменьшая входящую нагрузку, кэширование и приоритет.

Независимо от фактической пропускной способности канала появляется очередь. Пропускная способность на канале может быть очень высокой, но когда возникает узкое место в сети, очередь на канале все равно появляется, то есть скорость, с которой трафик достигает входа маршрутизатора, выше, чем маршрутизатор отправки пакетов на выходе узла.

 http://meridian-journal.ru/uploads/2021/02/4917-1.PNG

Рисунок 1.2 – Возникновение очередей на узле связи

Ниже рассмотрим технологии гарантии качества обслуживания:

Best Effort – не предоставляет гарантии качества. Для всех типов трафика и классов пакетов равные условия.

IntServ – гарантированное качество каждому потоку, но не все так просто.

DiffServ – отсутствует резервирование, но каждый узел имеет возможность самому определять, как обеспечить требуемое качество.

Best Effort Service – модель негарантированной доставки которая является стандартным способом реализации QoS в сети по сути он ставиться по умолчанию в оборудовании. Он не требует от персонала каких-то определенных навыков или умений, т.к. качество обслуживания в данном случае нельзя настроить. Несмотря на казалось всю бесполезность данного метода, он нашел применение на определенных участках сети таких как: трансконтинентальных линиях или в сетях некоторых центров обработки данных, где нет переподписки (соотношение суммы скоростей соединений к уровню объединения нескольких параллельных каналов передачи данных (агрегации) к суммарным скоростям подключения абонентов. Этот термин касается любых сетей, в том числе и сетей хранения данных).

IntServ (Integrated Service) – это модель интегрированного обслуживания в которой производится резервирование полосы для трафика на всем пути от отправителя до получателя т.е. обеспечивается сквозное качество обслуживания. Для резервирования ресурса используется протокол RSVP - это протокол резервирования ресурсов сети, это реализовывается в виде сообщений маршрутизаторам сети с потребностями конечных узлов по QoS потоков. Но получается, что для каждого потока канал сигнализируется заранее, это в свою очередь создает нагрузку на CPU и память на каждом узле транзита. В результате происходит фактическая перегрузка сети и происходит прекращение взаимодействия на некоторый промежуток времени. Это приводит к практически нулевой масштабируемости сети – в сегодняшних реалиях это недопустимо.

DiffServ (Differentiated Service) – это модель дифференцированного обслуживания является самой сложной по настройке моделью качества обслуживания из представленных выше. В данном представлении трафик подразделяется на классы, каждый узел сети при входе на него маркированного пакета применяет к нему определенные операции, отдавая разный приоритет пакетам на узле. Каждый узел на пути следования пакетного трафика сам принимает решение о том, что будет делать с пришедшим пакетом на основании домена DiffServ и окраски пакета.

Рассмотрим подробнее дифференциальное обслуживание, данная модель представлена на рисунке 1.3.

 

Рисунок 1.3 – Модель дифференцированного обслуживания

 

Модель поведения узла можно описать набором определенных параметров и инструментариев: Policing, Dropping, Queuing, Scheduling, Shaping.

Отсюда вытекает первая операция которую производит узел при поступлении пакета и это классификация (Classification), происходит анализ пакета и присвоение ему класса в зависимости от заданного параметра на узле.

Следующим этапом производится на основе классификации окрашивание (Coloring) пакетов в различные цвета.

Если это требуется происходит надзор (Policing) за пакетами на основании ранее присвоенного цвета. В результате пакет может быть отброшен, передан или перемаркирован.

Дальше, пакет попадает в одну из сформированных очередей (Queuing), для каждого класса существует своя очередь, что позволяет произвести дифференциацию трафика. Но до попадания в очередь пакеты могут отбрасываться (Dropper), если очередь заполнена, а вероятность отбрасывания зависит также от цвета пакета. На выходе очереди используется формирователь выходной очереди (Shaper), в его функции входит ограничение трафика до требуемого значения.

Из-за того, что у нас несколько очередей и меньшее количество выходных потоков возникает необходимость в равномерном освобождение все буферов. Для этого используют специальный планировщик (Scheduler), который по определенному циклу вынимает пакеты из разных очередей и отправляет их в интерфейс (Scheduling).

Взаимодействие набор очередей и планировщика – основной механизм QoS, позволяющий использовать разные правила к различным типам трафика, обеспечивая большую полосу пропускания и малые задержки пакетов.

Пакеты попадают на интерфейс узла где происходит трансформация пакетов в битовый поток т.е. сериализация (Serialization) и осуществляется передача в виде сигнала по используемой среде передачи. В данной модели каждый узел действует самостоятельно, т.к. не используются протоколы сигнализации сообщающих о политике QoS.

Чтобы согласовать работу маршрутизаторов необходимо использовать одинаковые настройки для всех узлов: одинаковые классы и PHB (политик и приоритет, применяемые к пакету при прохождении узла), применить маркировку для пакета которая записывается в заголовке IP и MPLS. И отсюда возникает следующее, зоны маршрутизаторов с общей маркировкой отличной от других. Эти зоны - домены DiffServ (DiffServ-Domain), помогают облегчить классификацию пакета в пространстве домена, что уменьшает нагрузку на узлы и уменьшает как следствие задержки. Все узлы домена следуют правилам маркировки от предыдущего маршрутизатора. На стыках различных доменных систем требуется согласование политик качества обслуживания.

Для уменьшения задержек в сети используют различные алгоритмы диспетчеризации пакетов в маршрутизаторах сети. Диспетчеризация основывается на правильном управлением пропускной способностью, буферным пространством и производит учет времени на обработку центральным процессором маршрутизатора данных.

Существуют следующие алгоритмы диспетчеризации пакетов:

FIFO (First-in-first-out) – «Первый пришел- первый ушел», отправка пакетов в том порядке в котором они приходят. Каждый маршрутизатор помещает пакеты в очередь, где пакеты ждут отправки;

FQ (Fair Queuing) – «Честная очередь», алгоритм справедливого обслуживания. Маршрутизатор организует отдельную очередь для каждой выходной линии, по одному на каждый поток. Как только линия освободится, маршрутизатор начнет циклически искать очереди, выбирая пакет следующей очереди.

WFQ (Weighted Fair Queuing) - «Взвешенное справедливое обслуживание», свободная полоса делится на число потоков и каждый получает одинаковую часть. Каждый поток получает свой вес.

WRR (Weighted Round Robin Queuing) – « Взвешенное циклическое обслуживание », производится классификация трафика в зависимости от типа трафика: трафик реального времени, интерактивный трафик, передача файлов.

DWRR (Deficit Weighted Round Robin Queuing) – « Взвешенное циклическое обслуживание с дефицитом», распределяет равномерно трафик между входными и выходными каналами с заданными параметрами.

Одним из методов обеспечения требуемого качества является также и удаление пакетов из очереди (удаление прибывающих пакетов, удаление случайных пакетов, случайное удаление ранее обнаруженных пакетов) для предотвращения перегрузок в сети которое используется в диспетчеризации пакетов, в таком алгоритме как FIFO.

В завершении можно сказать о том, что правильная и точная настройка параметров качества обслуживания на узлах сети оказывает значительное влияние на поведение сети в общем. Услуги сети не будут предоставляться корректно конечным пользователям, нагрузка в сети будет неравномерно распределена между вершинами графа сети без качественной настройки сетевого оборудования.

Решением задачи обеспечения требуемого качества обслуживания в сетях может быть осуществлено – на основе предоставления гарантированной полосы пропускания, повышения производительности сетевых узлов. Но более рациональным является применение гибких методов, при эффективном использовании арендуемого трафика для большого спектра услуг связи.

 

ЛИТЕРАТУРА 

  1. Рекомендация Y.1541 URL: https://www.itu.int/ITU-T/recommendations/rec.aspx?rec=11462&lang=ru
  2. Е.В. Смирнова, А.В. Пролетарский, И.В. Баскаков, Р.А. Федотов, Е.А. Ромашкина Построение коммутируемых компьютерных сетей. Учебное пособие 2-е издание, дополненное и исправленное. – Москва: Национальный Открытый Университет «ИНТУИТ», 2015. – 146 с.