Creșterea mecanică a lățimii de bandă a rețelei nu mai este o garanție că diversele aplicații care rulează în rețea vor primi serviciul necesar. Sunt necesare noi mecanisme pentru calitatea serviciilor, luând în considerare varietatea cerințelor pe care aplicațiile le plasează în rețea.

lățimii

Aplicațiile sunt principala forță motrice pentru dezvoltarea rețelei. Ca răspuns la cerințele lor din ce în ce mai mari de lățime de bandă a rețelei, apar tehnologii de mare viteză. Apariția de noi tipuri de trafic, cum ar fi telefonia IP, transmisiunile audio și video, a dus la necesitatea de a oferi un nivel scăzut de întârziere a pachetelor în rețeaua de calculatoare, suport pentru livrarea pachetelor de grup etc.

Cerințe pentru diferite tipuri de aplicații

Traficul din diferite aplicații este clar clasificat. Trei caracteristici sunt acceptate ca criterii principale: predictibilitatea relativă a ratei de date, toleranța întârzierii pachetului, sensibilitatea la pierderea pachetului și deteriorarea.

În ceea ce privește predictibilitatea vitezei traficului, aplicațiile sunt împărțite în două clase majore: cu trafic sub forma unui flux constant (Stream) și cu trafic neregulat (Burst). Prima clasă de aplicații se caracterizează printr-un grad ridicat de predictibilitate a traficului generat, deci are o rată mai mult sau mai puțin constantă (Constant Bit Rate, CBR). Debitul poate fi modificat, dar limita superioară este predeterminată. De exemplu, un flux de date audio aparține clasei CBR, iar pentru un flux de voce elementar, limita superioară este de 64 Kbps.

A doua clasă se caracterizează printr-un grad ridicat de imprevizibilitate, când perioadele de inactivitate sunt înlocuite cu activitate corespunzătoare trimiterii unor „blocuri de date” mari. Un astfel de trafic se caracterizează printr-o rată de biți variabilă (VBR). Astfel, când serviciul de fișiere rulează, intensitatea traficului poate crește de la zero atunci când nu sunt transmise fișiere la infinit, când după trimiterea unei cereri cu informații despre locația fișierului, aplicația cere să primească datele cât mai repede posibil. Strict vorbind, toate aplicațiile generează trafic neregulat, inclusiv streaming. Doar că coeficientul de neregulă (adică raportul dintre viteza instantanee maximă și medie) în aceste două tipuri de aplicații diferă semnificativ. Pentru aplicațiile cu trafic neregulat, acest raport este de obicei cuprins între 10: 1 și 100: 1, în timp ce pentru aplicațiile curente aceste valori sunt mult mai mici.

Un alt criteriu pentru clasificarea aplicațiilor după tipul de trafic este susceptibilitatea lor la întârzierea pachetelor. Vom da principalele tipuri de aplicații în ordine crescătoare a acestui indicator:

  • aplicațiile asincrone nu impun practic restricții de întârziere (trafic „elastic”), cum ar fi e-mailul;
  • aplicațiile sincrone sunt sensibile la întârziere, dar permit acest lucru;
  • aplicațiile interactive se caracterizează prin faptul că întârzierile pot fi observate de către utilizator, dar nu afectează negativ funcționarea aplicațiilor, de exemplu, atunci când se lucrează cu fișiere la distanță într-un editor de text;
  • aplicațiile izocrone au un prag de sensibilitate la întârziere, depășirea funcționalității aplicației scade, de exemplu, depășirea întârzierii cu 100 - 150 msec deteriorează brusc calitatea vorbirii reproduse;
  • Aplicațiile hipersensibile întârziate sunt intolerante la acesta, deoarece le reduce funcționalitatea la zero, de exemplu, în timpul controlului unui obiect tehnic în timp real, dacă semnalul de control este întârziat, poate apărea un accident.

În general, o aplicație interactivă este întotdeauna mai sensibilă la întârziere decât omologul său non-interactiv. Difuzarea informațiilor audio este capabilă să „reziste” la întârzieri semnificative în transmiterea pachetelor, iar apelul telefonic interactiv nu le tolerează.

În cele din urmă, al treilea criteriu în clasificarea aplicațiilor este sensibilitatea lor la pierderea de pachete. Conform acestui criteriu, aplicațiile sunt de obicei împărțite în două grupuri - sensibile la pierderi și insensibile la acestea. Primele includ practic toate aplicațiile care transmit date alfanumerice (documente text, coduri de programe, tablouri numerice etc.), nu permit pierderea fragmentelor individuale, chiar mici de date. Astfel de pierderi duc adesea la o devalorizare a restului informațiilor primite cu succes, iar lipsa unui singur octet în codul programului o face inoperabilă. Toate aplicațiile tradiționale de rețea (servicii de fișiere, baze de date, e-mail etc.) aparțin acestui tip de aplicație.

Al doilea tip de aplicație combină programe al căror trafic transportă informații despre procesele fizice inerțiale. Rezistența la pierderi se explică prin faptul că o cantitate mică de date lipsă poate fi recuperată cu ajutorul celor acceptate. Astfel, în cazul pierderii unui pachet cu mai multe măsurători vocale consecutive, valorile lipsă pot fi înlocuite cu o aproximare bazată pe valorile învecinate. Acest tip de aplicație include majoritatea aplicațiilor multimedia (programe audio și video). Cu toate acestea, rezistența la pierderi are limite, astfel încât numărul pachetelor pierdute nu trebuie să depășească 1%. De fapt, nu tot traficul multimedia este rezistent la pierderea de date, în special mesajele vocale sau video comprimate sunt extrem de sensibile la pierderi, deci sunt clasificate în primul tip de aplicație.

Cele trei caracteristici menționate sunt independente. O aplicație în stare stabilă poate fi atât asincronă, cât și sincronă, iar o aplicație sincronă poate fi atât sensibilă, cât și insensibilă la pierderea de pachete. Cu toate acestea, practica arată că cele mai utilizate aplicații sunt descrise cu mai multe combinații posibile. De exemplu, combinația „flux constant, izocronie, toleranță la pierderi” corespunde aplicațiilor populare precum telefonia IP, conferința video și difuzarea audio pe internet. Pe de altă parte, pentru o serie de combinații de caracteristici este dificil să oferim un exemplu de aplicație reală, de exemplu: „flux constant, asincronie, sensibilitate la pierderi”. Combinațiile durabile de caracteristici nu sunt atât de multe. În standardizarea tehnologiei ATM, au fost definite patru clase de aplicații: A, B, C și D. În plus, pentru toate aplicațiile care nu se încadrează în nici o clasă, este definită clasa X, în care poate exista orice combinație de Caracteristici.

Clasificarea dată a aplicațiilor stă la baza cerințelor standard pentru parametrii și mecanismele calității serviciilor în rețelele moderne.

Parametrii calității serviciului

Cele trei criterii de clasificare a aplicațiilor corespund a 3 grupe de parametri pentru determinarea și stabilirea calității cerute a serviciului:

  • parametrii lățimii de bandă - medie, maximă (vârf) și minimă;
  • parametrii întârzierii - valoarea medie și maximă a întârzierii, precum și valoarea medie și maximă a variației sale, adică. abaterea intervalelor de pachete în traficul de intrare în comparație cu cele trimise;
  • parametrii de fiabilitate a transmisiei - numărul de pachete pierdute și deteriorate /.

La determinarea tuturor acestor parametri, este important pentru perioada în care se măsoară fiecare dintre ei. Cu cât este mai scurtă, cu atât sunt mai stricte cerințele pentru calitatea serviciului și cu atât este mai dificil de întreținut. Prin urmare, furnizorii de IP preferă să specifice medii lunare în SLA-uri, deoarece deseori le este greu să furnizeze QoS. În același timp, furnizorii cu releu de cadre și rețelele ATM cu instrumente QoS puternice sunt capabili să garanteze calitatea necesară a parametrilor de serviciu cu o perioadă medie de câteva secunde.

Pe de o parte, parametrii calității serviciilor pot fi legați de traficul generat de aplicațiile clienților. Pe de altă parte, acești parametri arată capacitatea rețelei de a deservi un anumit trafic. De exemplu, dacă utilizatorul are o aplicație care generează un flux constant cu o viteză constantă N. La încheierea unui contract SLA cu furnizorul, el presupune că traficul trimis la rețea nu va depăși viteza maximă N. Operatorul, în la rândul său, se asigură că valoarea minimă a lățimii de bandă furnizate de rețeaua acestei aplicații nu va fi mai mică de N. Acest lucru asigură o calitate acceptabilă a serviciului de trafic pentru aplicația dată.

Pentru aplicațiile cu trafic neregulat, calitatea serviciului se caracterizează printr-o viteză medie pentru o anumită perioadă și o viteză maximă într-o perioadă de transmisie activă. De obicei, este convenit ca fie perioada maximă de activitate pe parcursul căreia aplicația este permisă să transmită date la viteză maximă, fie cantitatea de date pe care o poate transmite în pachete este limitată. De multe ori nu numai limita maximă, ci și viteza minimă sunt setate. În acest caz, aplicația are lățime de bandă garantată la nivelul valorii minime pentru a funcționa în mod satisfăcător, în timp ce aplicația nu este obligată să trimită trafic în rețea la viteze care depășesc limita stabilită.

Modelul serviciilor QOS

Arhitectura de bază pentru serviciile QoS include elemente din trei tipuri principale (a se vedea Figura 1):

  • Mijloacele QoS ale nodului procesează traficul primit în conformitate cu cerințele privind calitatea serviciului;
  • Protocoalele de semnalizare QoS sunt folosite pentru a coordona funcționarea elementelor de rețea pentru a asigura calitatea serviciului de la un capăt la altul;
  • Politica QoS centralizată, funcțiile de gestionare și raportare permit administratorilor de rețea să influențeze elementele de rețea și să aloce resursele rețelei între diferite tipuri de trafic cu nivelul cerut de QoS.

Instrumentele QoS din nod sunt principalul mecanism executiv pentru serviciile QoS, deoarece afectează procesul de transmisie a pachetelor între interfețele de intrare și ieșire ale comutatoarelor și routerelor.

Aceste mijloace pot include elemente de două tipuri:

  • mecanisme de așteptare;
  • mecanisme de control al traficului („modelare”).

Mecanismele de așteptare sunt un element necesar pentru orice dispozitiv care utilizează comutarea pachetelor. Ele pot suporta o varietate de algoritmi pentru procesarea pachetelor în coadă, de la cele mai simple de tip FIFO (când primul ajunge primul) la altele mult mai complexe care acceptă procesarea mai multor clase de fluxuri, cum ar fi prioritatea sau serviciul ponderat. În mod implicit, dispozitivele de rețea au algoritmi pentru deservirea cozilor FIFO, dar este suficient doar să implementați un serviciu „în funcție de posibilități” (Cel mai bun efort) și pentru a sprijini serviciile QoS „reale”, sunt necesare mecanisme mai complexe.

În acest scop, mecanismele de modelare a traficului pot fi implementate în nodul de rețea. Menținerea calității necesare a serviciului înseamnă întotdeauna că viteza de redirecționare a traficului de la nod este în concordanță cu viteza de intrare a acestuia în acesta. Cozile apar atunci când traficul de intrare este mai mare decât este capabil să gestioneze nodul. În acest moment, mecanismele de gestionare a cozii sunt activate și permit atenuarea impactului lor asupra fluxului de date. Acestea sunt implementate în așa fel încât întârzierea să nu afecteze parametrii debitului. Mecanismele de „limitare” a traficului rezolvă problema creării condițiilor pentru un serviciu de calitate al traficului cu alte metode - în detrimentul reducerii vitezei debitului în nodul dat într-o asemenea măsură încât este întotdeauna mai mică decât viteza a traficului.transmiterea fluxului.

Aceste mecanisme implică de obicei mai multe funcții.

Clasificarea traficului. Această caracteristică vă permite să separați pachetele dintr-un singur flux care au cerințe comune de calitate a serviciului. Clasificarea se poate face pe baza diferitelor caracteristici formale ale pachetului - adresa expeditorului și destinatarului, porturile TCP/UDP, prioritatea pachetului, etichetele de flux (în versiunea IPv6).

Profilare bazată pe reguli (poliție). Pentru fiecare flux de intrare, există un set corespunzător de parametri QoS, adesea numiți un profil de trafic. Profilarea traficului asigură verificarea conformității fiecărui flux de intrare cu parametrii profilului său. În cazul încălcării acestor parametri (de exemplu, depășirea duratei activității sau a vitezei medii), pachetele din flux sunt separate sau marcate. Părțile extrase ale pachetelor reduc intensitatea fluxului și aduc parametrii acestuia în conformitate cu cei specificați în profil. Marcarea pachetelor fără separarea lor se aplică atunci când pachetele pot fi încă deservite de nodul dat (sau de următoarele), dar calitatea serviciului va diferi de cea indicată în profil (de exemplu, o întârziere mai mare). Pentru a verifica corespondența traficului de intrare cu profilul dat, mecanismul de modelare măsoară parametrii de curgere utilizând unul dintre algoritmii cunoscuți, de exemplu algoritmul „bucket leaky” sau GCRA mai flexibil (utilizat în ATM).

Formarea traficului. Această caracteristică este concepută pentru a da „forma” temporară necesară traficului profilat trecut. Este, în general, utilizat pentru a netezi traficul neregulat, astfel încât fluxul la ieșirea dispozitivului să fie mai uniform decât la intrare. Netezirea reduce cozile la dispozitivele de rețea ulterioare care gestionează traficul. În plus, poate fi folosit pentru a recupera rapoartele de timp de trafic din aplicațiile care generează fluxuri constante, cum ar fi aplicațiile vocale.

Mecanismele de modelare a traficului pot fi suportate de orice nod de rețea sau implementate numai pe dispozitive de frontieră. Această din urmă opțiune este adesea utilizată de operatori pentru a egaliza traficul clienților lor în conformitate cu condițiile serviciului oferit.

Cu ajutorul protocoalelor de semnalizare QoS, mecanismele QoS din nodurile individuale fac schimb de informații despre servicii și astfel își coordonează eforturile de a furniza parametri de calitate a serviciilor de-a lungul întregii căi de flux, adică. De la capăt la capăt. De exemplu, datorită instrumentelor de semnalizare, aplicația poate rezerva lățimea medie de bandă necesară (pentru rețelele IP, această caracteristică este acceptată de protocolul RSVP) pentru întregul traseu.

Unul dintre cele mai simple mijloace de semnalizare este marcarea coletului, atunci când acesta include informații despre calitatea serviciului necesar coletului. Câmpul prioritar este cel mai des utilizat în aceste scopuri (în pachetul IPv4 - primii trei biți ai câmpului Tip de serviciu, TOS). Trecând de la dispozitiv la dispozitiv, pachetul își îndeplinește cerințele de calitate a serviciilor, deși sunt într-o formă destul de generalizată: câmpul prioritar are doar câteva semnificații posibile și, prin urmare, diferențierea calității serviciilor este posibilă doar pentru câteva fluxuri agregate din rețea.

Funcțiile centralizate pentru politici, gestionarea și raportarea QoS nu sunt elemente necesare în arhitectura serviciilor QoS, dar sunt de dorit în rețelele mari. Pentru o rețea la scară largă, este evidentă necesitatea centralizării fondurilor pentru politicile QoS. Regulile uniforme care se aplică tuturor dispozitivelor din rețea sunt stocate pe server (sau mai multe servere cu reguli de bază replicate). Administratorul configurează regulile dintr-un singur loc, ceea ce reduce complexitatea sarcinii și numărul de erori. Aceste reguli sunt apoi transmise tuturor dispozitivelor de rețea care mențin calitatea serviciului printr-un protocol special, iar dispozitivele de rețea aplică modelarea traficului și politica de gestionare a cozii în conformitate cu parametrii solicitați.

Serviciile QoS care utilizează sisteme centralizate de susținere a regulilor se numesc servicii QoS bazate pe politici (QoS). Regulile sunt utile nu numai pentru gestionarea QoS, ci și pentru coordonarea dispozitivelor de rețea atunci când efectuează alte funcții, cum ar fi protecția traficului. Prin urmare, sistemul centralizat de reguli din rețea se bazează pe serviciul de director comun, unde toate datele de utilizator raportate (numele și parola) sunt stocate în mod tradițional. Recent, scopul său s-a extins și acum conține o mare varietate de date de rețea, inclusiv date despre politica QoS, politica de securitate etc.

Modelul de serviciu QoS descris corespunde celor mai multe protocoale de suport QoS specifice, cum ar fi RSVP, DiffServ în rețelele TCP/IP, CBR, VBR și protocoale de servicii ABR în rețelele ATM.