6. Механизмы поддержки качества обслуживания в сетях ip

Как было отмечено выше, переход к сетям следующего поколения, построенным на базе IP-ориентированных протоколов, возможен только при условии, что для большого числа приложений будут обеспечены соответствующие показатели качества обслуживания. Для достижения этой цели был разработан большой набор механизмов борьбы с задержками и потерями, которые в соответствии с разрабатываемой Рекомендацией ITU-T Y.qosar разделены по трем плоскостям – контрольной плоскости, плоскости данных  и плоскости менеджмента.

 А. Механизмы QoS контрольной плоскости

Управление допустимостью соединения (Call Admission Control). Этот механизм контролирует новые заявки на пропуск трафика через сеть, определяя, может вновь поступающий трафик привести к перегрузке сети или к ухудшению уровня качества обслуживания для уже имеющегося в сети трафика. Обычно управление допустимостью построено на определенном наборе правил администрирования, контроля и управления сетевыми ресурсами. Эти правила могут быть специфицированы с соответствии с потребностями сетевого провайдера или базироваться на соглашении между провайдером и пользователем и включать в свой состав различные параметры QoS. Для удовлетворения требований определенных служб (например, при чрезвычайных обстоятельствах), соответствующему трафику может быть присвоен высший приоритет при доступе в сеть.

QoS-маршрутизация (QoS-routing). QoS-маршрутизация обеспечивает выбор пути, который удовлетворяет требованиям к качеству обслуживания для конкретного потока данных. Выбираемый путь может отличаться от кратчайшего пути. Процесс определения пути предполагает знание требований к качеству обслуживания со стороны потока данных и наличие информации о доступных сетевых ресурсах. В настоящее время предложено большое число возможных методов определения наилучшего пути по критерию QoS. Как правило, в вычислениях наилучшего пути в QoS-маршрутизации учитывается либо одна сетевая характеристика, либо, максимум, две (производительность и задержку, стоимость и производительность, стоимость и задержку и т.д.), с тем, чтобы сделать процесс вычислений приемлемым для инженерных расчетов.

Резервирование ресурсов (Resource reservation). В целом, необходимым условием для обеспечения резервирования ресурсов является наличие ресурсов в сети. Резервирование ресурсов широко использовалось в сетях АТМ при формировании постоянных виртуальных соединений.  В IP-ориентированных сетях наиболее типичным механизмом резервирования является механизм, базирующийся на протоколе RSVP, рассматриваемом в разделе 3.

Б. Механизмы QoS плоскости данных

Управление буферами узлов (Buffer management). Управление буферами (или очередями) состоит, в действительности, в управлении пакетами, стоящими в очереди на передачу. Основные задачи управления очередями – минимизация средней длины очереди при одновременном обеспечении высокого использования канала, а также справедливое распределение буферного пространства между различными потоками данных. Схемы управления очередями различаются, в основном, критерием, по которому отбрасываются пакеты, и местом в очереди. Откуда производится сброс пакетов (начало или конец). Наиболее простым критерием для сброса пакетов является достижение очередью определенного порога, называемого максимальной длиной очереди.

Более распространены сегодня так называемые механизмы активного управления очередями. Типичным примеров является алгоритм RED (Random Early Detection, Вероятностное заблаговременное обнаружение перегрузки). При использовании алгоритма RED поступающие в буфер пакеты сбрасываются на основании оценки средней длины очереди. Вероятность сброса пакетов растет с ростом средней длины очереди.

Предотвращение перегрузок (Congestion avoidance). Механизмы предотвращения перегрузок поддерживают уровень нагрузки в сети ниже ее пропускной способности. Обычный путь предотвращения перегрузок состоит в уменьшении трафика, поступающего в сеть. Как правило, команда уменьшить трафик влияет в первую очередь на низкоприоритетные источники. Одним из примеров механизмов предотвращения перегрузок является механизм окна в протоколе TCP.

Маркировка пакетов (Packet marking). Пакеты могут быть промаркированы в соответствии с определенным классом обслуживания. Маркировка обычно производится во входном граничном узле, где в специальное поле заголовка (Type of service в заголовке IP или DS-байт в заголовке DiffServ, см. ниже) вводится определенное значение. Кроме того, маркировка применяется для тех пакетов. Которые могут быть удалены в случае перегрузки сети.

Организация и планирование очередей (Queuing and scheduling). Цель механизмов этой группы – выбор пакетов для передачи из буфера в канал. Большинство дисциплин обслуживания (или планировщиков) основаны на схеме “первый пришел – первый обслуживается”. Для обеспечения более гибких процедур вывода пакетов из очереди был предложен ряд схем, основанных на формировании нескольких очередей. Среди них, в первую очередь необходимо назвать схемы приоритетного обслуживания. Другой пример гибкой организации очереди – механизм взвешенной справедливой буферизации (Weighted Fair Queuing, WFQ), когда ограниченная пропускная способность на выходе узла распределяется между несколькими потоками (очередями) в зависимости от требований к пропускной способности со стороны каждого потока.  Еще одна схема организации очереди основана на классификации потоков по классу обслуживания (Class-Based Queuing, CBQ). Потоки классифицируется в соответствии с классами обслуживания и затем размещаются в буфере в различных очередях. Каждой очереди выделяется определенный процент выходной пропускной способности в зависимости от класса, и очереди обслуживаются по циклической схеме.    

Классификация трафика (Traffic classification). Классификация трафика может быть проведена на потоковом или пакетном уровне.  На входе в сеть в узле доступа (пограничном маршрутизаторе) пакеты классифицируются для того, чтобы выделить пакеты одного потока, характеризуемого общими требованиями к качеству обслуживания. Затем трафик подвергается процедуре нормирования (механизм Traffic Conditioning). Нормирование трафика предполагает измерение параметров трафика и сравнение результатов измерений с параметрами, оговоренным в контракте по трафику, известному как Соглашение об уровне обслуживания (Service Level Agreement, SLA, см. ниже). Если условия SLA нарушаются, то часть пакетов может быть отброшена. Магистральные маршрутизаторы, составляющие ядро сети, обеспечивают пересылку пакетов в соответствии с требуемым уровнем QoS.

Управление характеристиками трафика (Traffic shaping). Управление характеристиками трафика предполагает контроль скорости и объема потоков, поступающих на вход сети. В результате прохождения через специальные формирующие буферы уменьшается пачечность исходного трафика, и его характеристики становятся более предсказуемыми. Известны два механизма обработки трафика – Leaky Bucket (“дырявое ведро”) и Token Bucket (“ведро с жетонами”). Алгоритм Leaky Bucket регулирует скорость пакетов, покидающих узел. Независимо от скорости входного потока, скорость на выходе узла является величиной постоянной. Когда ведро переполняется, лишние пакеты сбрасываются.

В противоположность этому, алгоритм Token Bucket не регулирует скорость на выходе узла и не сбрасывает пакеты. Скорость пакетов на выходе узла может быть такой же, как и на входе, если только в соответствующем накопителе (ведре) есть жетоны. Жетоны генерируются с определенной скоростью и накапливаются в ведре. Алгоритм характеризуется двумя параметрами – скоростью генерации жетонов и размером ведра для них. Пакеты не могут покинуть узел, если в ведре нет жетонов. И наоборот, сразу пачка пакетов может покинуть узел, израсходовав соответственное число жетонов.

В. Механизмы QoS плоскости менеджмента

Измерения (Metering). Измерения обеспечивают контроль параметров трафика – например, скорость потока данных в сравнении с согласованной в SLA скоростью. По результатам измерений могут быть реализованы определенные процедуры, такие, как сброс пакетов и применение механизмов Leaky Bucket и Token Bucket.

Соглашение об уровне обслуживания (Service Level Agreement). Одним из центральных понятий концепции обеспечения требуемого уровня качества обслуживания в современных сетях является соглашение об уровне обслуживания (Service Level Agreement, SLA). Первые SLA-соглашения были разработаны в середине 90-х годов при предоставлении услуг передачи данных с использованием Frame Relay, ATM и IP. Необходимость подобных контрактов была вызвана возрастающими требованиями к операторам со стороны клиентов, чей бизнес все больше зависел от надежной и своевременной передачи информации. SLA предполагает повышенную ответственность поставщика услуг, дисциплинирует его. В какой-то степени это дисциплинирует и заказчика — поскольку заключению соглашения предшествуют этап анализа требований к уровню сервиса.

Соглашение SLA, называемое в ряде источников контрактом по трафику, представляет собой контракт между пользователем и провайдером услуг/сетевым провайдером. В контракте определяются основные характеристики (профиль) трафика, формируемого в оборудовании пользователя, и параметры QoS, предоставляемые провайдером. Соглашение SLA может включать в себя также и ценовые характеристики. Техническая часть SLA специфицирует набор параметров и их значения, которые вместе определяют уровень обслуживания, обеспечиваемый трафику пользователя со стороны сетевого провайдера.

Контракт SLA может быть статическим (согласовывается на длительный период - месяц, год и т.п.) или динамическим (определяется для каждого сеанса). В последнем случае для запроса требуемого уровня QoS должен использоваться сигнальный протокол (например, RSVP).

Соглашения SLA, прежде всего, предполагают четко регламентированные обязательства поставщика услуг по обеспечению их качества (время предоставления услуги, например, 24x7 или 8x5; время реакции на инцидент; время выезда персонала к заказчику; время закрытия инцидента и т.д.), а также штрафные санкции за нарушение регламента. Из опыта зарубежных сетевых провайдеров известно, что стоимость SLA добавляется к стоимости гарантийного обслуживания и в ряде случаев стоимость SLS может быть в несколько раз выше стоимости гарантийного обслуживания.