Групповое вещание в IP-сетях

Приведенный пример показывает, что определение и параметры качества обслуживания в значительной мере определяются типом приложения. Приложению, которое передает голосовой трафик, важно, чтобы сеть гарантировала соблюдение именно приведенного выше набора характеристик качества обслуживания. Файловому сервису нужны гарантии средней полосы пропускания и расширения ее на небольших интервалах времени до некоторого максимального уровня для быстрой передачи пульсаций. В идеале для каждого приложения можно сформулировать свое определение качества обслуживания и требовать, чтобы сеть его поддерживала и гарантировала. Естественно, что так не делают, а стараются реализовать в сети механизмы поддержки качества обслуживания для основных типов приложений.

Все параметры, фигурирующие в разнообразных определениях качества обслуживания, относятся к одной из трех основных категорий:

• Параметры пропускной способности.   (К таким параметрам относятся средняя, максимальная или пиковая и минимальная скорости передачи данных.)
• Параметры задержки передачи пакетов.  (Используется средняя и максимальная величины задержек, а также среднее и максимальное значение вариаций задержек, то есть отклонений межпакетных интервалов в прибывающем трафике по сравнению с отправленным.)
• Параметры надежности передачи.  (Используется процент потерянных пакетов, а также процент искажений пакетов).

Первые две категории относятся к производительности сети, а последняя – к ее надежности. В каждой категории можно сконструировать различные числовые характеристики, отвечающие потребностям конкретных типов приложений.

Качество обслуживания гарантируется для некоторого потока данных. Поток данных (flow) – это последовательность пакетов, имеющих некоторые общие признаки, например, адрес узла-источника, информация, идентифицирующая тип приложения (номер порта TCP/UDP) и т. п. К потокам применимы такие понятия, как агрегирование и дифференцирование. Поток данных от одного компьютера может быть представлен как совокупность потоков от разных приложений, а потоки от компьютеров одного предприятия агрегированы в один поток данных абонента некоторого сервис-провайдера.

Механизмы поддержки QoS часто ориентированы на работу с определенным типом потока. Например, протокол RSVP поддерживает качество обслуживания только для элементарных потоков приложений, а протоколы группы DiffServ могут работать с потоками любой степени агрегированности.

Механизмы поддержки качества обслуживания сами по себе не создают пропускной способности. Сеть не может дать больше того, что имеет. Так что фактическая пропускная способность каналов связи и транзитного коммуникационного оборудования – это ресурсы сети, являющиеся отправной точкой для работы механизмов QoS. Механизмы QoS только управляют распределением имеющейся пропускной способности в соответствии с требованиями приложений и настройками сети.

Поскольку трафик между конечными узлами проходит через некоторое количество промежуточных сетевых устройств, таких как концентраторы, коммутаторы и маршрутизаторы, то поддержка QoS требует взаимодействия всех сетевых элементов на пути трафика, то есть "из-конца-в-конец" ("end-to-end"). Любые гарантии QoS настолько хороши, насколько их обеспечивает наиболее "слабый" элемент в цепочке между отправителем и получателем. Поэтому нужно хорошо понимать, что поддержка QoS только в одном сетевом устройстве, пусть даже и магистральном, может весьма незначительно улучшить качество обслуживания или же совсем не повлиять на параметры QoS.

Реализация в компьютерных сетях механизмов поддержки QoS является сравнительно новой тенденцией. Долгое время компьютерные сети существовали без таких механизмов.

Транспортный сервис, который предоставляли такие сети, получил название "best effort", то есть сервис "с максимальными усилиями". Примерами, являются большинство популярных технологий, разработанных в 80-е годы: Ethernet, Token Ring, IP, X.25. Сервис "с максимальными усилиями" основан на некотором справедливом алгоритме обработки очередей, возникающих при перегрузках сети, когда в течение некоторого времени скорость поступления пакетов в сеть превышает скорость продвижения этих пакетов. В простейшем случае алгоритм обработки очереди рассматривает пакеты всех потоков как равноправные и продвигает их в порядке поступления (First In – First Out, FIFO). В том случае, когда очередь становится слишком большой (не умещается в буфере), проблема решается простым отбрасыванием новых поступающих пакетов.

Очевидно, что сервис "с максимальными усилиями" обеспечивает приемлемое качество обслуживания только в тех случаях, когда производительность сети намного превышает средние потребности, то есть является избыточной. В такой сети пропускная способность достаточна даже для поддержания трафика пиковых периодов нагрузки.

С начала 90-х годов проводятся интенсивные работы по поиску надежных и эффективных промышленных решений по поддержанию качества обслуживания на основе служб QoS разного типа. Типы QoS различаются по степени "строгости", то есть по тому, насколько твердо сервис QoS может гарантировать обеспечение определенных значений характеристик QoS – пропускной способности, задержек, вариаций задержек, уровня потерь пакетов и т. п.

Можно выделить три типа служб QoS:

• Сервис "с максимальными усилиями", который также можно назвать отсутствием QoS, обеспечивает взаимодействие конечных узлов без каких бы то ни было гарантий. Типичные представители таких услуг – классические сети Ethernet или IP, которые не делают никаких различий между пакетами отдельных пользователей и приложений, и обслуживают эти пакеты на основании принципа FIFO – "первым пришел – первым обслужен".
• Сервис с предпочтением (называемый также "мягким" QoS) – некоторые типы трафика обслуживаются лучше, чем остальные. Подразумеваются более быстрая обработка, в среднем больше пропускной способности и меньше потерь данных. Это статистическое предпочтение, а не твердые гарантии. Точные значения параметров QoS, которые получат приложения в результате работы службы QoS этого типа, неизвестны и зависят от характеристик предлагаемого сети трафика. Например, если высокоприоритетный трафик предлагает сети в данный момент времени низкую интенсивность своих пакетов, то низкоприоритетный трафик может в это время получать весьма качественное обслуживание — значительную пропускную способность и низкие задержки. Однако при изменении ситуации, когда высокоприоритетный трафик начинает посылать в сеть свои пакеты с высокой интенсивностью, низкоприоритетный трафик может вообще некоторое время не обслуживаться. Примером этого типа QoS являются службы DiffServ сетей IP и IEEE 802.1р локальных сетей.
• Гарантированный сервис (называемый также "жестким" или "истинным" QoS) основан на предварительном резервировании сетевых ресурсов для определенного потока перед его отправкой в сеть. Трафик, которому выделили ресурсы, гарантированно имеет при прохождении через сеть те параметры пропускной способности или задержек, которые определены для него в числовом виде. Например, выделенную полосу пропускания, которая не уменьшается ни при каких обстоятельствах, какой бы перегруженной сеть не становилась. Примерами служб QoS этого типа являются служба RSVP IP-сетей и службы CBR и VBR сетей ATM, а также служба QoS сетей frame relay.

Эти три подхода к работе служб QoS не исключают, а дополняют друг друга. В результате их комбинирование позволяет учесть разнообразные требования приложений и различные условия работы сети.

3. Модель службы QoS

Для решения задач качественного обслуживания в сети необходима служба QoS. Эта служба имеет распределенный характер, так как ее элементы должны присутствовать во всех сетевых устройствах, продвигающих пакеты: коммутаторах, маршрутизаторах, серверах доступа. С другой стороны, работу отдельных сетевых устройств по обеспечению поддержки QoS нужно скоординировать, чтобы качество обслуживания было однородным вдоль всего пути, по которому следуют пакеты потока. Поэтому служба QoS должна включать также элементы централизованного управления, с помощью которого администратор сети может согласованно конфигурировать механизмы QoS в отдельных устройствах сети.

Базовая архитектура службы QoS включает элементы трех основных типов, представленных на рис. 4.1.

1. Средства QoS узла, выполняющие обработку поступающего в узел трафика в соответствии с требованиями качества обслуживания.

2.  Протоколы QoS-сигнализации для координации работы сетевых элементов по поддержке качества обслуживания "из-конца-в-конец".

3. Централизованные функции политики, управления и учета QoS, позволяющие администраторам сети целенаправленно воздействовать на сетевые элементы для разделения ресурсов сети между различными видами трафика с требуемым уровнем QoS.

                          Рисунок 4.1. Базовая архитектура службы QoS

Средства QoS узла являются основным исполнительным механизмом службы QoS, так как именно они непосредственно влияют на процесс продвижения пакетов между входными и выходными интерфейсами коммутаторов и маршрутизаторов и, следовательно, определяют вклад данного устройства в характеристики качества обслуживания сети.

Средства QoS узла могут включать элементы двух типов:

• механизмы обслуживания очередей;
• механизмы "кондиционирования" трафика.

Механизмы обслуживания очередей являются необходимым элементом любого устройства, работающего по принципу коммутации пакетов. Они могут поддерживать различные алгоритмы обработки пакетов, попавших в очередь, от самых простых типа FIFO ("первым пришел – первым обслужен") до весьма сложных, поддерживающих обработку нескольких классов потоков, например, алгоритмов приоритетного или взвешенного обслуживания. По умолчанию в сетевых устройствах действует алгоритм обслуживания очереди FIFO, но он достаточен только для реализации сервиса "с максимальными усилиями", а для поддержки "истинных" сервисов QoS нужны более сложные механизмы.

Механизмы второго типа ("кондиционирования" трафика) могут реачизовы-ваться в сетевом узле для поддержания QoS. Дело в том, что поддержание качества обслуживания всегда означает создание таких условий, когда скорость продвижения трафика потока согласуется со скоростью поступления этого трафика в узел сети. Очереди возникают в те периоды времени, когда скорость поступления трафика становится больше скорости его продвижения. Механизмы обслуживания очередей рассчитаны на работу как раз в такие периоды времени и нужны для того, чтобы потоки как можно меньше страдали от существования подобных периодов. Задержки от ожидания в очередях должны укладываться в параметры потока. Механизмы кондиционирования трафика решают задачу создания условий качественного обслуживания трафика другим способом – за счет уменьшения скорости поступления потока в данный узел настолько, чтобы она всегда оставалась меньше, чем скорость продвижения этого потока.

1. Механизм кондиционирования трафика

Механизм кондиционирования трафика обычно включает выполнение нескольких функций:

Классификация трафика. Эта функция выделяет из общей последовательности пакетов, поступающих в устройство, пакеты одного потока, имеющего общие требования к качеству обслуживания. Классификация может выполняться на основе различных формальных признаков пакета – адресов источника и назначения, значений TCP/UDP портов, значения приоритета пакета.

• Профилирование трафика на основе правил политики (policing). Для каждого входного потока имеется соответствующий ему набор параметров QoS. Этот набор часто называют профилем трафика. Профилирование трафика подразумевает проверку соответствия каждого входного потока параметрам его профиля. В случае нарушения параметров профиля (например, превышения длительности пульсации или средней скорости) происходит отбрасывание или маркировка пакетов этого потока. Отбрасывание некоторых пакетов снижает интенсивность потока и приводит его параметры в соответствие указанным в профиле. Маркировка пакетов без отбрасывания нужна для того, чтобы пакеты все же были обслужены данным узлом (или последующими по потоку), но с качеством обслуживания, отличным от указанного в профиле (например, с увеличенным значением задержки). Для проверки соответствия входного трафика заданному профилю механизм кондиционирования выполняет измерения параметров потока. Для этого обычно используется один из известных алгоритмов, например, алгоритм "дырявого ведра" (leaky bucket).
• Формирование трафика (shaping). Эта функция предназначена для придания прошедшему профилирование трафику нужной временной "формы". В основном с помощью данной функции стремятся сгладить пульсации трафика, чтобы пакеты выходили из устройства более равномерно, чем входили. Сглаживание пульсаций уменьшает очереди в сетевых устройствах, которые будут обрабатывать трафик далее по потоку. Его также целесообразно использовать для восстановления временных соотношений трафика приложений, работающих с равномерными потоками, например, голосовых приложений.

Механизмы кондиционирования трафика могут как поддерживаться каждым узлом сети, так и быть реализованы только в пограничных устройствах. Последний вариант часто используют сервис-провайдеры, кондиционируя трафик своих клиентов.

2. Протоколы сигнализации QoS

Протоколы сигнализации QoS нужны для того, чтобы механизмы QoS отдельных узлов могли обмениваться служебной информацией, способствующей координации усилий по обеспечению параметров качества обслуживания на всем пути следования потока, то есть "из-конца-в-конец". Например, с помощью средств сигнализации приложение может зарезервировать себе вдоль всего маршрута следования требуемую среднюю пропускную способность (для сетей IP эту функцию поддерживает протокол RSVP).

Одно из примитивных средств сигнализации — маркировка пакета признаком, несущим информацию о требуемом для пакета качестве обслуживания. Наиболее часто в этих целях используется поле приоритета (в пакете IPv4 — первые три бита поля Type Of Service, TOS). Продвигаясь от устройства к устройству, пакет переносит вдоль пути следования свои требования к качеству обслуживания, правда, в достаточно обобщенной форме — так как поле приоритета имеет всего несколько возможных значений, то и качество обслуживания будет предоставляться дифференцированно по нескольким агрегированным потокам сети.

Инициировать работу протокола сигнализации может не только конечный узел, но и промежуточное устройство. Например, пограничный маршрутизатор сервис-провайдера способен выполнить классификацию трафика и зарезервировать в сети провайдера данному потоку некоторую пропускную способность. В этом случае координация сетевых устройств будет происходить не на всем пути следования трафика, а только в пределах сети данного провайдера, что, конечно, снижает качество обслуживания трафика.

3. Централизованные функции политики, управления и учета QoS

Централизованные функции политики, управления и учета QoS не являются необходимым элементом архитектуры службы QoS, но очень желательны в крупных сетях. Каждый пользователь и каждое приложение стремятся получить обслуживание с максимально высоким уровнем качества (например, пропускной способности). Следовательно, должны существовать средства, с помощью которых администратор мог бы выполнять функцию арбитра и задавать рациональный уровень качества обслуживания для отдельных пользователей и приложений, или же для их групп. Функции политики позволяют администратору создавать правила, по которым сетевые устройства могут формально, на основании набора признаков, распознавать отдельные типы трафика и применять к ним определенные функции QoS.