Качество обслуживания в сетях IP-телефонии

7.1. Понятие QoS

Сети с коммутацией пакетов на основе протокола IP не обеспечивают гарантированной пропускной способности, поскольку не гарантируют доставку.

Для приложений, где не важен порядок и интервал прихода пакетов, время задержек между отдельными пакетами не имеет решающего значения. IP-телефония является одной из областей передачи данных, где важен порядок прихода пакетов и важна динамика передачи сигнала, которая обеспечивается современными методами кодирования и передачи информации. Транспортные протоколы стека TCP/IP, функционирующие поверх протокола IP, не обеспечивают высокого качества обслуживания трафика, чувствительного к задержкам. Протокол TCP, хоть и гарантирует достоверную доставку информации, но переносит ее с непредсказуемыми задержками. Протокол UDP, который, как правило, используется для переноса информации в реальном времени, обеспечивает меньшее, по сравнению с протоколом TCP, время задержки, но, как и протокол IP, не содержит никаких механизмов обеспечения качества обслуживания.

Вместе с тем необходимо обеспечить механизмы, по которым в периоды перегрузки пакеты с информацией, чувствительной к задержкам (например, речь), не будут простаивать в очередях или получат более высокий приоритет, чем пакеты с информацией, не чувствительной к задержкам. Для этой цели в сети должны быть реализованы механизмы, гарантирующие нужное качество обслуживания (Quality of Service - QoS).

Объективными, измеряемыми или рассматриваемыми показателями качества являются:

• изменение задержки в сети;
• пропускная способность сети.

Время отклика оценивается по:

• промежутку времени от момента передачи пакета до момента приема подтверждения;
• времени задержки однонаправленного сквозного соединения, также называемой временем запаздывания ( latency );
• пропускной способности.

Готовность и надежность оценивается по:

• возможности получения доступа к ресурсам сети или коэффициенту использования;
• результатам контроля уровня обслуживания 24/7 (при режиме работы 24 часа в сутки, 7 дней в неделю).

Меры обеспечения QoS, применяемые в IP- сетях:

1. Резервирование ресурсов (на время соединения запрашиваются и резервируются необходимые для выполнения приложения ресурсы).
2. Приоритезация трафика (разделение трафика в сети на классы с приоритетным порядком обслуживания некоторых из них).
3. Перемаршрутизация (позволяет при перегрузке в сети перевести трафик на резервный маршрут; именно этим способом обеспечивается QoS в подавляющем большинстве контроллеров SBC).

В современных IP-сетях перечисленные меры реализуются с помощью технологий IntServ, DiffServ и MPLS с использованием протокола RSVP.

7.2. Трафик реального времени в IP-сетях

Как правило, большую часть VoIP-трафика составляют потоки информации, чувствительной к задержкам. Максимальная задержка не должна превышать 250 мс, причем сюда входит и время обработки информации на конечной станции. Вариацию задержки (джиттер) также необходимо свести к минимуму. Кроме того, необходимо учитывать, что при сжатии информация становится более чувствительной к ошибкам, возникающим при передаче, и их нельзя исправлять путем переспроса именно из-за необходимости передачи в реальном времени.

Общая задержка речевой информации делится на две основные части - задержка при кодировании и декодировании речи в шлюзах или терминальном оборудовании пользователей и задержка, вносимая самой сетью. Уменьшить общую задержку можно двумя путями: во-первых, спроектировать инфраструктуру сети таким образом, чтобы задержка в ней была минимальной, и, во-вторых, уменьшить время обработки речевой информации шлюзом.

Для уменьшения задержки в сети нужно сокращать количество транзитных маршрутизаторов и соединять их между собой высокоскоростными каналами. А для сглаживания вариации задержки можно использовать такие эффективные методы, как, например, механизмы резервирования сетевых ресурсов.

Одним из способов избежать того, чтобы речь и другая информация, требующая передачи в режиме реального времени, не простаивала в очередях наравне со статической информацией (обычные, не голосовые данные), является выделение и сортировка пакетов, содержащих голосовую информацию.

7.3. Дифференцированное обслуживание разнотипного трафика - Diff-Serv

Опция DiffServ позволяет классифицировать пакеты из трафика, идущего в локальную сеть. Работа DiffServ основывается на идентификаторе DSCP, представляющем собой первые 6 бит поля TOS. DSCP определяет, как будут перенаправляться пакеты в DiffServ-сети (PHB, Per-hop Behavior). Изменяя значение этого идентификатора, различные виды трафика можно распределить по приоритетам в очереди.

Модель Diff-Serv описывает архитектуру сети как совокупность пограничных участков и ядра. Пример сети согласно модели Diff-Serv приведен на рисунке 7.1.

увеличить изображение
Рис. 7.1. Модель Diff-Serv

Поступающий в сеть трафик классифицируется и нормализуется пограничными маршрутизаторами. Нормализация трафика предусматривает измерение его параметров, проверку соответствия заданным правилам предоставления услуг, профилирование (при этом пакеты, не укладывающиеся в рамки установленных правил, могут быть отсеяны) и другие операции. В ядре сети магистральные маршрутизаторы обрабатывают трафик в соответствии с классом PHB, код которого указан в поле DS.

Достоинства модели Diff-Serv:

• обеспечивает единое понимание того, как должен обрабатываться трафик определенного класса;
• позволяет разделить весь трафик на относительно небольшое число классов и не анализировать каждый информационный поток отдельно;
• нет необходимости в организации предварительного соединения и в резервировании ресурсов;
• не требуется высокая производительность сетевого оборудования.

К настоящему времени для Diff-Serv определено два класса трафика:

• класс срочной пересылки пакетов (Expedited Forwarding PHB Group);
• класс гарантированной пересылки пакетов (Assured Forwarding PHB Group).

Механизм обеспечения QoS на уровне сетевого устройства, применяемый в Diff-Serv, включает в себя следующие операции. Сначала пакеты классифицируются на основании их заголовков. Затем они маркируются в соответствии с произведенной классификацией (в поле приоритета Diff-Serv в зависимости от маркировки выбирается алгоритм передачи, при необходимости - с выборочным удалением пакетов), позволяющий избежать заторов в сети. Заключительная операция чаще всего состоит в организации очередей с учетом приоритетов.

7.4. Интегрированное обслуживание IntServ

IntServ (Integrated Services) больше подходит для концентрации трафика в пограничной сети IP и не рекомендована для применения в транзитных сетях IP (из-за проблем с масштабируемостью).

Модель с интеграцией услуг была предложена в начале 90-х годов и разрабатывалась для обслуживания единичных потоков, которым предоставляется два вида услуг: гарантированные и с управляемой нагрузкой. Гарантированные услуги позволяют обеспечить определенному объему трафика поддающееся количественному вычислению максимальное значение задержки при прохождении пакетов из конца в конец. Услуги с управляемым уровнем нагрузки предоставляют определенному объему трафика обслуживание best-effort при виртуальной низкой сетевой нагрузке без строгих гарантий.

Рассмотрим структурную схему IntServ ( рис. 7.2).

Рис. 7.2. Модель IntServ

В каждом узле, поддерживающем IntServ, должно быть несколько обязательных элементов:

• классификатор - направляет поступающий пакет в один из классов обслуживания согласно информации, полученной из заголовков (сетевого и транспортного уровней) пакета. Класс обслуживания реализуется в виде отдельной очереди. Все пакеты в пределах одного класса обслуживания должны получать одинаковый QoS;
• диспетчер пакетов - извлекает из каждой очереди пакеты и направляет их на канальный уровень. Для IntServ предложен двухступенчатый диспетчер пакетов. Все поступающие пакеты обрабатываются в соответствии с дисциплиной обслуживания WFQ для изоляции потоков, получающих гарантированные услуги, от всех остальных. Потоки с управляемой нагрузкой и потоки best-effort разделяются с помощью приоритетов;
• блок управления доступом (admission control) - принимает решения о возможности получения трафиком требуемого количества ресурсов, не влияя при этом на ранее предоставленные гарантии. Управление доступом выполняется на каждом узле для принятия или отклонения запроса на выделение ресурсов по всему пути прохождения потока;
• протокол резервирования ресурсов - информирует участников соединения (отправителя, получателя, промежуточные маршрутизаторы) о требуемых параметрах обслуживания. Для модели IntServ рекомендуется использовать протокол RSVP.

Сервисная модель IntServ в сочетании с RSVP (см. далее) позволяет организовать гибкое обслуживание разнотипного трафика, максимально учитывая потребности каждого приложения, а использование WFQ для обслуживания пакетов гарантирует максимально допустимое значение задержки. Эта особенность делает IntServ идеальной для обслуживания мультимедийного трафика.

Однако высокая гибкость и "желание" удовлетворить потребности единичных потоков являются источником слабых мест IntServ. Основным недостатком модели считается низкая масштабируемость. Производительность IntServ зависит от количества обрабатываемых потоков, следовательно, такую сервисную модель практически невозможно реализовать в сети с миллионами пользователей! Поэтому для больших сетей нужна более простая и масштабируемая технология, а область применения IntServ ограничилась внутренними и оконечными сетями.

Но самый большой недостаток IntServ связан с масштабируемостью RSVP, особенно в высокоскоростных магистральных сетях. Действительно, объем ресурсов, которые необходимы маршрутизатору для обработки и хранения информации RSVP, увеличивается пропорционально количеству потоков QoS. Измерения трафика показывают, что большинство соединений IP "из конца в конец" существует очень недолго, и в каждый момент времени магистральным маршрутизатором поддерживается несколько тысяч активных соединений. Следовательно, многочисленные потоки IntServ в канале с большой пропускной способностью значительно увеличивают нагрузку на маршрутизаторы. Более того, каждый раз при изменении топологии все зарезервированные пути необходимо прокладывать заново.

7.5. Интегро-дифференцированное обслуживание трафика

Опубликованный в 2000 г. стандарт RFC2998 описывает принципы организации взаимодействия IntServ/RSVP и DiffServ для предоставления QoS из конца в конец. Слабые места одной модели компенсируются соответствующими решениями другой. С одной стороны, плохо масштабируемая IntServ на магистральных участках сети может быть заменена на более простую DiffServ, с другой стороны, с помощью RSVP может решаться (если не полностью, то в большей степени) проблема с неопределенностью получаемого сервиса в "чистой" DiffServ-сети.

Рис. 7.3. Модель DiffServ + IntServ

Основная проблема при взаимодействии - соответствие ресурсов, запрашиваемых с помощью RSVP и предоставляемых в DiffServ-регионе (так называется непрерывная последовательность DiffServ-доменов, в пределах которых могут предоставляться дифференцированные услуги). Для реализации отображения ресурсов был предложен ряд решений.

Возможна организация двух вариантов взаимодействия протоколов качества обслуживания:

• DiffServ-регион не поддерживает RSVP-сигнализацию, и ресурсы выделяются на статической основе;
• обработка RSVP-сообщений производится в DiffServ-регионе.

В первом случае совместная работа основана на статическом соглашении клиента с оператором SLS (спецификация уровня сервиса). В простейшей ситуации оно описывает значение пропускной способности, получаемое трафиком пользователя, в DiffServ-сети. В этом случае ( рис. 7.3) Tx (отправитель) генерирует сообщения Path, которые направляются к узлу Rx (получатель) через DiffServ-регион.

При прохождении через DiffServ-регион содержимое RSVP-сообщений игнорируется, и они пересылаются как обычный пакет с данными. При получении узлом Rx сообщения Path генерируется запрос на резервирование RESV, который затем направляется обратно к узлу Tx. В случае успешной обработки запроса каждым RSVP-совместимым маршрутизатором и прохождения через DiffServ-регион сообщение RESV достигает маршрутизатора Er1. Er1 на основании SLS производит сравнение ресурсов, запрашиваемых в сообщении RESV, и ресурсов, доступных в DiffServ-регионе. Если Er1 подтверждает запрос, сообщение RESV отсылается далее по направлению к узлу Tx. В ином случае сообщение отвергается, и узлу Rx отправляется сообщение об ошибке. В полученном узлом Tx сообщении может содержаться информация о маркировании соответствующим кодом пакетов, адресуемых в узел Rx. Значение кода определяется по умолчанию или из сообщения RESV.

Во втором варианте предполагается, что пограничные маршрутизаторы в DiffServ-регионе (например, маршрутизатор Br1 ) поддерживают протокол RSVP. Отметим, что, несмотря на поддержку RSVP-сигнализации, обрабатываются только агрегированные потоки, а не единичные, как в сети IntServ/RSVP. Порядок обмена RSVP-сообщениями такой же, как и в предыдущем случае. Однако благодаря поддержке RSVP в DiffServ-регионе блок управления доступом является частью DiffServ-сети. В результате маршрутизатор Br1 имеет возможность непосредственно обработать RSVP-запрос, исходя из доступности ресурсов.

По-видимому, совместная работа IntServ и DiffServ является оптимальным вариантом для предоставления требуемого QoS из конца в конец. Реализация такой модели позволит ликвидировать причину низкого качества мультимедийных услуг на основе IP-протокола и повысить производительность традиционных сервисов.

7.6. Протокол резервирования ресурсов - RSVP

Одним из средств обеспечения качества IP-телефонии и особенно интернет-телефонии является использование протокола резервирования ресурсов (Resource Reservation Protocol, RSVP), рекомендованного комитетом IETF. С помощью RSVP мультимедиа-программы могут потребовать специального качества обслуживания (specific quality of service - QoS) посредством любого из существующих сетевых протоколов - главным образом IP, хотя возможно использовать и UDP, - чтобы обеспечить качественную передачу видео- и аудиосигналов. Протокол RSVP предусматривает гарантированное QoS благодаря тому, что через каждый компьютер, или узел, который связывает между собой участников телефонного разговора, может передаваться определенное количество данных.

Протокол RSVP предназначен только для резервирования части пропускной способности. Используя RSVP, отправитель периодически информирует получателя о свободном количестве ресурсов сообщением RSVP Path ( рис. 7.4). Транзитные маршрутизаторы по мере прохождения этого сообщения также анализируют имеющееся у них количество свободных ресурсов и подтверждают его соответствующим сообщением RSVP Resv, передаваемым в обратном направлении. Если ресурсов достаточно, то отправитель начинает передачу. Если ресурсов не достаточно, получатель должен снизить требования или прекратить передачу информации.

увеличить изображение
Рис. 7.4. Применение протокола RSVP

RSVP - это протокол сигнализации, который обеспечивает резервирование ресурсов для предоставления в IP-сетях услуг эмуляции выделенных каналов. Протокол позволяет системам запрашивать, например, гарантированную пропускную способность такого канала, предсказуемую задержку, максимальный уровень потерь. Но резервирование выполняется лишь в том случае, если имеются требуемые ресурсы.

Одной из особенностей RSVP является то, что запросы на резервирование ресурсов направляются только от получателей данных отправителям, а не наоборот. Такой подход обусловлен тем, что лишь устройство-получатель знает, с какой скоростью оно должно получать данные, чтобы надежно декодировать аудио- или видеосигналы. Другая особенность RSVP - резервирование производится лишь для одного направления. Кроме того, RSVP не допускает смешения аудио- и видеосигналов на зарезервированном канале.

Когда RSVP-программы закончат сеанс связи, они должны вызвать функцию отмены, предусмотренную этим протоколом. Отмена аннулирует все запросы на ресурсы, сделанные программой, и позволяет другим прикладным программам использовать коммуникационные возможности Интернета. Если программе не удается выполнить отмену, то предусмотренные протоколом средства по истечении некоторого промежутка времени обнаружат это и автоматически отменят запрос на ресурсы.

Недостатком протокола RSVP является то, что полоса пропускания, выделяемая источнику информации, при снижении активности источника не может быть использована для передачи другой информации. Поскольку для реализации QoS протокол RSVP требует резервирования ресурсов или каналов связи, небрежные или безответственные пользователи могут захватить ресурсы сети, инициируя несколько сеансов QoS подряд. Как только канал зарезервирован, он становится недоступным для других пользователей, даже если тот, кто его затребовал, ничего не передает. К сожалению, в RSVP отсутствует четкий механизм предотвращения подобных ситуаций, и решение этой проблемы возлагается на сетевых администраторов. Очевидно, что необходимо предусмотреть более жесткий контроль, чтобы RSVP имел успех.