Качество обслуживания (QoS)

Модели QoS

Для поддержки передачи по одной сети трафика потоковых мультимедийных приложений (Voice over IP (VoIP), IPTV, видеоконференции, онлайн игры и др.) и трафика данных с различными требованиями к пропускной способности необходимы механизмы, обеспечивающие возможность дифференцирования и обработки различных типов сетевого трафика в зависимости от предъявляемых ими требований. Негарантированная доставка данных (best effort service), традиционно используемая в сетях, построенных на основе коммутаторов, не предполагала проведения какой-либо классификации трафика и не обеспечивала надежную доставку трафика приложений, гарантированную пропускную способность канала и определенный уровень потери пакетов. Для решения этой проблемы было введено такое понятие, как качество обслуживания (Quality of Service, QoS).

Функции качества обслуживания в современных сетях заключаются в обеспечении гарантированного и дифференцированного уровня обслуживания сетевого трафика, запрашиваемого теми или иными приложениями на основе различных механизмов распределения ресурсов, ограничения интенсивности трафика, обработки очередей и приоритизации.

Можно выделить три модели реализации QoS в сети.

Модель IntServ использует сигнальный протокол RSVP (Resource Reservation Protocol, протокол резервирования ресурсов) для резервирования ресурсов для каждого потока данных, который должен поддерживаться каждым узлом на пути следования трафика. Эту модель также часто называют жестким QoS (hard QoS) в связи с предъявлением строгих требований к ресурсам сети.

Приоритизация пакетов

Для обеспечения QoS на канальном уровне модели OSI коммутаторы поддерживают стандарт IEEE 802.1р. Стандарт IEEE 802.1р позволяет задать до 8 уровней приоритетов (от 0 до 7, где 7 — наивысший), определяющих способ обработки кадра, используя 3 бита поля приоритета тега IEEE 802.1Q.

Для обеспечения QoS на сетевом уровне модели OSI в заголовке протокола IPv4 предусмотрено 8-битное поле ToS (Type of Service). Этот байт может быть заполнен либо значением приоритета IP Precedence, либо значением DSCP (Differentiated Services Code Point) в зависимости от решаемой задачи.

Поле IP Precedence имеет размерность 3 бита и может принимать значения от 0 до 7. Оно используется для указания относительного приоритета обработки пакета на сетевом уровне.

Поле DSCP было стандартизировано IETF с появлением модели DiffServ. Оно занимает 6 старших бит байта ToS и позволяют задать до 64 уровней приоритетов (от 0 до 63). По сути код DSCP является расширением 3-битового поля IP Precedence и обладает обратной совместимостью с IP-приоритетом.

(рис 15.2) Байт ToS заголовка IPv4

Классификация пакетов

Для обеспечения дифференцированного обслуживания трафика коммутаторы поддерживают в зависимости от модели от 4 до 8 аппаратных очередей приоритетов на каждом из своих портов. Для обеспечения требуемой очередности передачи пакетов данных в коммутаторе необходимо настроить алгоритм обслуживания очередей и карту привязки приоритетов 802.1р, ToS, DSCP к очередям.

По умолчанию в коммутаторах D-Link используются следующие карты привязки пользовательских приоритетов 802.1р к аппаратным очередям:

• 4 очереди приоритетов

• 8 очередей приоритетов

В коммутаторах с поддержкой 4-х очередей приоритетов очереди нумеруются от 0 до 3, где очередь 3 обладает наивысшим приоритетом, очередь 0 — низшим. В коммутаторах с поддержкой 8-ми очередей приоритетов очереди нумеруются от 0 (низший приоритет) до 7 (наивысший приоритет).

Программное обеспечение коммутаторов позволяет настраивать карты привязки приоритетов 802.1р, ToS, DSCP к очередям в соответствии с требованиями пользователей.

Для того чтобы поместить пакет в одну из очередей приоритетов в соответствии с заданной политикой QoS, коммутатор анализирует содержимое одного или нескольких полей его заголовка — приоритет 802.1р, IP-приоритет или поле DSCP в байте ToS. Этот процесс называется классификацией пакетов (packet classification).

Следует отметить, что при этом коммутатор не изменяет значения приоритетов внутри пакетов данных, а только определяет очередность и способ их обработки выходным портом, основываясь на реализованной в нем политике QoS.

В том случае, если на входной порт коммутатора поступает немаркированный кадр (заголовок кадра не содержит битов приоритета), то его классификация осуществляется на основе значения приоритета 802.1р, по умолчанию назначенного данному порту.

Также для классификации пакетов данных на основании различных параметров их заголовков, например МАС-адреса, IP-адреса, номера порта TCP/UDP, тега VLAN и т.д., могут использоваться списки управления доступом (Access Control List, ACL).

Маркировка пакетов

После процесса классификации коммутатор может осуществить маркировку пакетов (packet marking). Маркировка пакетов определяет способ записи/перезаписи значений битов приоритета (DSCP, 802.1p или IP Precedence) входящих пакетов данных. Обычно процесс маркировки выполняется на граничных устройствах и позволяет последующим коммутаторам/маршрутизаторам использовать новое значение приоритета пакета для отнесения его к одному из поддерживаемых в сети классов обслуживания. Изменить значения битов приоритета в заголовках входящих пакетов данных можно с помощью списков управления доступом.

Управление перегрузками и механизмы обслуживания очередей

Наиболее часто перегрузка сети возникает в местах соединения коммутаторами сетей с разной полосой пропускания. В случае возникновения перегрузки сети пакеты данных начинают буферизироваться и распределяться по очередям. Порядок передачи через выходной интерфейс поставленных в очередь пакетов на основе их приоритетов определяется механизмом обслуживания очередей (Queueing mechanism), который позволяет управлять пропускной способностью сети при возникновении перегрузок.

Механизм управления перегрузками (Congestion management) включает следующие механизмы обслуживания очередей:

В коммутаторах D-Link для обслуживания очередей используются взвешенный алгоритм кругового обслуживания, очереди приоритетов и комбинации этих методов.

Механизм обслуживания очередей FIFO ("первым пришел, первым ушел") передает пакеты, поставленные в очередь в том порядке, в котором они поступили в нее. Этот механизм не обеспечивает классификации пакетов и рассматривает их как принадлежащие одному классу.

Очереди приоритетов со строгим режимом (Strict Priority Queue) предполагают передачу трафика строго в соответствии с приоритетом выходных очередей. В этом механизме предусмотрено наличие 4-х очередей — с высоким, средним, обычным и низким приоритетами обслуживания. Пакеты, находящиеся в очереди с высоким приоритетом, обрабатываются первыми. Пакеты из следующей по приоритету обслуживания очереди начнут передаваться только после того, как опустеет высокоприоритетная очередь. Например, пакеты из средней по приоритету очереди не будут передаваться до тех пор, пока не будут обслужены пакеты из высокоприоритетной очереди. Пакеты из очереди с нормальным приоритетом не начнут передаваться до тех пор, пока не опустеет очередь со средним приоритетом и т.д.

Следует отметить, что пакеты очереди с высоким приоритетом всегда получают предпочтение при обслуживании независимо от количества пакетов в других очередях и времени, прошедшего с момента передачи последнего пакета из очереди с низким приоритетом. В некоторых случаях это может привести к "зависанию" обслуживания низкоприоритетного трафика, т.е. пакеты из очередей с низким приоритетом долго не будут обрабатываться.

По умолчанию на коммутаторах D-Link настроены очереди приоритетов со строгим режимом.

Еще одним механизмом обслуживания очередей является взвешенный алгоритм кругового обслуживания (Weighted Round Robin, WRR). Этот механизм исключает главный недостаток очередей приоритетов, обеспечивая обработку очередей в соответствии с назначенным им весом и предоставляя полосу пропускания для пакетов из низкоприоритетных очередей.

Процесс обработки очередей осуществляется по круговому принципу, начиная с самой приоритетной очереди. Из каждой непустой очереди передается некоторый объем трафика, пропорциональный назначенному ей весу, после чего выполняется переход к следующей по убыванию приоритета очереди и т.д. по кругу.

Механизм предотвращения перегрузок

Механизм предотвращения перегрузок (Congestion avoidance) — это процесс выборочного отбрасывания пакетов во избежание перегрузок в сети в случае достижения выходными очередями своей максимальной длины (в пакетах).

Традиционной политикой обработки пакетов коммутаторами в случае переполнения всех выходных очередей является их отбрасывание, которое продолжается до тех пор, пока длина очередей не уменьшится за счет передачи находящихся в них пакетов. Такой алгоритм управления длиной выходных очередей получил название "отбрасывание хвоста" (Tail-Drop). Отбрасывание пакета будет служить сигналом о перегрузке сети источнику ТСР-соединения, т.к. он не получит подтверждения о доставке пакета от приемника ТСР-соединения. В этом случае он уменьшит скорость передачи путем уменьшения размера окна перегрузки до одного сегмента и перезапустит алгоритм медленного старта (slow start).

Поскольку коммутатор обрабатывает множество ТСР-потоков в один момент времени, отбрасывание пакетов послужит сигналом о перегрузке тысячам источникам ТСР-соединений, которые снизят скорость передачи. При этом почти все источники ТСР-соединений будут использовать одинаковое время таймеров задержки перед началом увеличения скорости передачи. Значения этих таймеров достигнут своего лимита практически одновременно, что вызовет увеличение интенсивности трафика и переполнение очередей, которое приведет к отбрасыванию пакетов, и весь процесс повторится вновь.

Процесс, когда каждый источник ТСР-соединения уменьшает и увеличивает скорость передачи одновременно с другими источниками ТСР-соединений, получил название эффекта глобальной синхронизации (global synchronization). Эффект глобальной синхронизации приводит к неэффективному использованию полосы пропускания, а также к возрастанию задержки передачи пакетов.

Для решения проблемы поведения источников ТСР-соединения в момент отбрасывания пакетов был разработан алгоритм произвольного раннего обнаружения (Random Early Detection, RED).

В отличие от алгоритма "отбрасывания хвоста", алгоритм RED отбрасывает поступающие пакеты вероятностно, на основе оценки среднего размера очередей. Он не дожидается полного заполнения очередей, а начинает отбрасывать пакеты с некоторой вероятностью, когда средний размер очереди превысит определенное минимальное пороговое значение. Это позволяет избежать эффекта глобальной синхронизации, т.к. будут отбрасываться не все пакеты, а только пакеты произвольным образом выбранных потоков.

В коммутаторах D-Link поддерживается простой алгоритм произвольного раннего обнаружения (Simple Random Early Detection, SRED), который является расширенной версией алгоритма RED, реализованной на основе ASIC, и выполняет вероятностное отбрасывание входящих "окрашенных" пакетов. "Окрашивание" пакетов позволяет реализовать разные политики обслуживания пакетов (различную вероятность отбрасывания) на основе их приоритетов. Так пакеты, "окрашенные" в зеленый цвет обладают наивысшим приоритетом. Пакеты "окрашенные" в желтый цвет — средним, в красный цвет — низшим приоритетом.

Алгоритм SRED позволяет задавать два пороговых значения размера для каждой очереди — минимальное и максимальное. Если длина очереди меньше минимального порогового значения, то пакеты будут помещаться в очередь. Если размер очереди будет находиться в интервале между минимальным и максимальным пороговыми значениями, т.е. будет наблюдаться умеренная перегрузка, то пакеты, "окрашенные" в красные и желтые цвета, будут отбрасываться с заданной вероятностью. Если длина очереди превысит максимальное пороговое значение, то пакеты любых цветов будут отбрасываться с заданной вероятностью. Т.е. алгоритм SRED обеспечивает возможность настройки более интенсивного отбрасывания пакетов низкоприоритетного трафика и менее интенсивного отбрасывания пакетов высокоприоритетного трафика.

В коммутаторах D-Link при настройке SRED существует возможность выбора из восьми значений скоростей (вероятностей) отбрасывания пакетов:

Контроль полосы пропускания

Современные коммутаторы позволяют регулировать интенсивность трафика на своих портах с целью обеспечения функций качества обслуживания. Для этого они используют механизмы, называемые Traffic Policing (ограничение трафика) и Traffic Shaping (выравнивание трафика).

Механизм Traffic Policing служит для ограничения скорости трафика, получаемого или отправляемого с интерфейса коммутатора. Когда эта функция активна, администратор может устанавливать различные пороговые значения скорости передачи на каждом из выходных портов коммутатора. Трафик, скорость которого меньше или равна пороговому значению, будет передаваться; трафик, скорость которого превышает пороговое значение, будет обрабатываться в соответствии с настроенной политикой, например, отбрасываться или маркироваться новым значением приоритета.

Основным средством, используемым для ограничения трафика, является хорошо известный алгоритм "корзина маркеров" (token bucket). Этот алгоритм предполагает наличие следующих параметров:

На рис. 15.9 показана схема реализации алгоритма "корзина маркеров" в рамках механизма Traffic Policing.

Размер стандартной корзины маркеров (максимальное число маркеров, которое она может вместить) равен согласованному размеру всплеска (CBS). Маркеры генерируются и помещаются в корзину с определенной скоростью (CIR). Если корзина полна, то поступающие избыточные маркеры отбрасываются. Для того чтобы передать пакет из корзины вынимается число маркеров, равное размеру пакета в битах. Если маркеров в корзине достаточно, то пакет передается. Если размер пакета оказался больше, чем маркеров в корзине, то маркеры из корзины не извлекаются, а пакет рассматривается как не удовлетворяющий (non-conform) заданному профилю или избыточный. Для избыточных пакетов могут применяться различные способы обработки: они могут отбрасываться или перемаркировываться.

Стандартная корзина маркеров не поддерживает экстренное увеличение размера всплеска, поэтому в такой реализации расширенный размер всплеска (EBS) равен согласованному размеру всплеска (CBS).

В корзине маркеров с возможностью экстренного увеличения размера всплеска расширенный размер всплеска (EBS) больше согласованного размера всплеска (CBS). Объем трафика (в битах), на который может быть превышен размер корзины, рассчитывается по формуле:

CBS = 1,5 х CIR/8
EBS = 2 х CBS

При такой реализации корзины маркеров, в случае нехватки маркеров, необходимых для передачи пакета, учитывается расширенный размер всплеска.

Механизм Traffic Shaping служит для сглаживания исходящего с интерфейсов коммутатора трафика. В отличие от механизма Traffic Policing, который в случае превышения скорости трафика заданного порогового значения может отбрасывать пакеты, механизм Traffic Shaping помещает избыточные пакеты в буфер.

В качестве средства выравнивания трафика механизм Traffic Shaping также использует алгоритм "корзина маркеров". В соответствии с механизмом Traffic Shaping из корзины вынимается число маркеров, равное размеру пакета в битах. Если в корзине имелось достаточное количество маркеров, то пакет передается. В противном случае пакет маркируется как неудовлетворяющий заданному профилю и ставится в очередь (буферизируется) для последующей передачи. Как только в корзине накопится количество маркеров, достаточное для передачи пакета, он будет передан.

Следует отметить, что механизм Traffic Shaping вносит задержку в передачу трафика, что критично для приложений, чувствительных к задержкам, таким как IP-телефония, потоковое видео и т.д. Однако этот механизм более дружествен к ТСР-потокам, т.к. благодаря буферизации уменьшается количество отбрасываемых пакетов и число их повторных передач.

Для управления полосой пропускания входящего и исходящего трафика на портах Ethernet коммутаторы D-Link поддерживают функцию Bandwidth control, которая использует для ограничения скорости механизм Traffic Policing. Администратор может вручную устанавливать требуемую скорость соединения на порте в диапазоне от 64 Кбит/с до максимально поддерживаемой скорости интерфейса с шагом 64 Кбит/с.

В качестве примера приведем настройку ограничения скорости до 128 Кбит/с для трафика, передаваемого с интерфейса 5 коммутатора.

config bandwidth_control 5 tx_rate 128

Более гибким решением ограничения полосы пропускания является функция per-flow Bandwidth control, реализованная на старших моделях управляемых коммутаторов D-Link. Эта функция позволяет ограничивать полосу пропускания не всему трафику, получаемому или передаваемому с интерфейса коммутатора, а конкретным потокам данных, определенным администратором сети.

Функция per-flow Bandwidth control использует механизм списков управления доступом для просмотра определенного типа трафика и ограничения для него полосы пропускания. Весь этот процесс происходит на микросхемах портов ASIC. Таким образом, это не влияет на загрузку ЦПУ, соответственно, не снижает производительности коммутатора.

Пример настройки QoS

На рис. 15.11 приведена схема локальной сети, в которой пользователи 1 и 3 используют приложения IP-телефонии. Голосовому трафику пользователей 1 и 3 требуется обеспечить наивысшее качество обслуживания по сравнению с трафиком других приложений, выполняемых на компьютерах остальных пользователей сети.

Настройка коммутатора 1

config vlan default add tagged 1-6

config 802.1p default_priority 18 7

Настройка коммутатора 2

config vlan default add tagged 1-6

config 802.1p default_priority 16 7

Карта привязки приоритетов 802.1р к очередям и механизм обслуживания очередей не изменяются и используют параметры, настроенные по умолчанию.