Качество обслуживания

Одним из основных аспектов, который должен приниматься во внимание при проектировании сетей ССП, является обеспечение качества обслуживания. Специфика пакетных сетей состоит в том, что, в отличие от сетей с коммутацией каналов, в одном и том же информационном потоке может передаваться разнородный трафик. При этом каждый из типов трафика характеризуется рядом критичных и некритичных параметров. Для передачи голосового трафика через пакетные сети вводится понятие классов обслуживания, позволяющих оценить качество предоставления услуги в пакетной сети. Определение качества обслуживания в настоящий момент является субъективным и базируется на методе экспертных оценок, т.е. априори невозможно абсолютно гарантировать, что при проектировании сети будут заложены сетевые характеристики, позволяющие однозначно обеспечить требуемое качество. С другой стороны, пакетные сети имеют развитые механизмы обеспечения качества обслуживания, использование которых позволяет влиять на предоставление услуг связи в процессе эксплуатации.

Функции качества обслуживания (QoS) заключаются в обеспечении гарантированного и дифференцированного обслуживания сетевого трафика путем передачи контроля за использованием ресурсов и загруженностью сети ее оператору. QoS представляет собой набор требований, предъявляемых к ресурсам сети при транспортировке потока данных. QoS обеспечивает сквозную гарантию передачи данных и основанный на системе правил контроль за средствами повышения производительности IP-сети, такими как механизм распределения ресурсов, коммутация, маршрутизация, механизмы обслуживания очередей и механизмы отбрасывания пакетов.

Ниже перечислены некоторые из основных преимуществ качества обслуживания.

• Обеспечение поддержки существующих и появляющихся мультимедийных служб и приложений.
• Передача контроля за ресурсами сети и их использованием сетевому оператору. Обеспечение гарантии обслуживания и дифференцирование сетевого трафика. Это условие является необходимым для объединения аудио/видеотрафика и трафика приложений в пределах одной IP-сети.
• Возможность поставщикам услуг Internet предлагать клиентам дополнительные услуги наряду со стандартной услугой негарантированной доставки данных (другими словами, предоставлять услуги в соответствии с так называемым классом обслуживания – Class of Service ( CoS )).
• Играет значительную роль в развитии новых сетевых технологий, таких как виртуальные частные сети (Virtual Private Networks – VPNs).

Способность сети обеспечивать различные уровни обслуживания, запрашиваемые теми или иными сетевыми приложениями, наряду с проведением контроля за характеристиками производительности – полосой пропускания, задержкой/дрожанием и потерей пакетов – может быть классифицирована по трем перечисленным ниже категориям.

Негарантированная доставка данных (best-effort service). Обеспечение связности узлов сети без гарантии времени и самого факта доставки пакета в пункт назначения. Отбрасывание пакета может произойти только в случае переполнения буфера входной или выходной очереди маршрутизатора.

На самом деле негарантированная доставка пакетов не является частью QoS вследствие отсутствия гарантии качества обслуживания и гарантии обеспечения доставки пакетов. Негарантированная доставка пакетов является на сегодняшний день единственной услугой, поддерживаемой в Internet.

Дифференцированное обслуживание (differentiated service). Дифференцирование обслуживание предполагает разделение трафика на классы на основе требований к качеству обслуживания. Каждый класс трафика дифференцируется и обрабатывается сетью в соответствии с заданными для этого класса механизмами QoS. Подобная схема обеспечения качества обслуживания ( QoS ) довольно часто называется схемой CoS.

Следует отметить, что дифференцированное обслуживание само по себе не предполагает обеспечения гарантий предоставляемых услуг. В соответствии с данной схемой трафик распределяется по классам, каждый из которых имеет свой собственный приоритет. По этой причине дифференцированное обслуживание довольно часто называют мягким QoS (soft QoS).

Дифференцированное обслуживание удобно применять в сетях с интенсивным трафиком приложений.

Гарантированное обслуживание (guaranteed service). Гарантированное обслуживание предполагает резервирование сетевых ресурсов с целью удовлетворения специфических требований к обслуживанию со стороны потоков трафика.

В соответствии с гарантированным обслуживанием выполняется предварительное резервирование сетевых ресурсов по всей траектории движения трафика.

Гарантированное обслуживание довольно часто называют еще жестким QoS (hard QoS) в связи с предъявлением строгих требований к ресурсам сети.

К сожалению, резервирование ресурсов на всем пути следования отдельных потоков трафика невозможно реализовать в масштабах магистрали Internet, обслуживающей в отдельный момент времени тысячи потоков данных.

Характеристики производительности сетевого соединения

Внедрение механизмов QoS предполагает обеспечение со стороны сети соединения с определенными ограничениями по производительности. Основными характеристиками производительности сетевого соединения являются полоса пропускания, задержка, дрожание и уровень потери пакетов.

Полоса пропускания

Термин полоса пропускания (bandwidth) используется для описания номинальной пропускной способности среды передачи информации, протокола или соединения.

Как правило, каждое соединение, нуждающееся в гарантированном качестве обслуживания, требует от сети резервирования минимальной полосы пропускания. К примеру, приложения, ориентированные на передачу оцифрованной речи, создают поток информации интенсивностью 64 Кбит/с. Эффективное использование таких приложений становится практически невозможным вследствие снижения полосы пропускания ниже 64 Кбит/с на каком-либо из участков соединения.

Задержка при передаче пакета (packet delay), или латентность (latency), на каждом переходе состоит из задержки сериализации, задержки распространения и задержки коммутации. Ниже приведены определения каждого из названных выше типов задержки.

Задержка сериализации (serialization delay). Время, которое требуется устройству на передачу пакета при заданной ширине полосы пропускания. Задержка сериализации зависит как от ширины полосы пропускания канала передачи информации, так и от размера передаваемого пакета. Например, передача пакета размером 64 байт при заданной полосе пропускания 3 Мбит/с занимает всего лишь 171 нc. Обратите внимание, что задержка сериализации очень сильно зависит от полосы пропускания: передача того же самого пакета размером 64 байт при заданной полосе пропускания 19,2 Кбит/с занимает уже 26 мс. Довольно часто задержку сериализации называют еще задержкой передачи (transmission delay).

Задержка распространения (propagation delay). Время, которое требуется переданному биту информации для достижения принимающего устройства на другом конце канала. Эта величина довольно существенна, поскольку в наилучшем случае скорость передачи информации соизмерима со скоростью света. Задержка распространения зависит от расстояния и используемой среды передачи информации, а не от полосы пропускания. Для линий связи глобальных сетей задержка распространения измеряется в миллисекундах. Для трансконтинентальных сетей Соединенных Штатов характерна задержка распространения порядка 30 мс.

Задержка коммутации (switching delay). Время, которое требуется устройству, получившему пакет, для начала его передачи следующему устройству. Как правило, это значение меньше 10 нс.

Обычно каждый из пакетов, принадлежащий одному и тому же потоку трафика, передается с различным значением задержки. Задержка при передаче пакетов меняется в зависимости от состояния промежуточных сетей.

Если сеть не испытывает перегрузки, то пакеты не ставятся в очередь в маршрутизаторах, а общее время задержки при передаче пакета состоит из суммы задержки сериализации и задержки распространения на каждом промежуточном переходе. В этом случае можно говорить о минимально возможной задержке при передаче пакетов через заданную сеть. Следует отметить, что задержка сериализации становится незначительной по сравнению с задержкой распространения при передаче пакета по каналу с большой пропускной способностью.

Если же сеть перегружена, задержки при организации очередей в маршрутизаторах начинают влиять на общую задержку при передаче пакетов, и приводят к возникновению разницы в задержке при передаче различных пакетов одного и того же потока. Колебание задержки при передаче пакетов получило название джиттер-пакетов (packet jitter).

Данный параметр имеет большую важность, поскольку именно он определяет максимальную задержку при приеме пакетов в конечном пункте назначения. Принимающая сторона, в зависимости от типа используемого приложения, может попытаться компенсировать дрожание пакетов за счет организации приемного буфера для хранения принятых пакетов на время, меньшее или равное верхней границе дрожания. К этой категории относятся приложения, ориентированные на передачу/прием непрерывных потоков данных, например IP-телефония или приложения, обеспечивающие проведение видеоконференций.