НОУ ИНТУИТ | Лекция | Качество обслуживания

Лекция 1. основы обеспечения качества обслуживания в ip-сетях

Цели лекции: изучение общих принципов обеспечения качества обслуживания в сетях, построенных на базе IP-ориентированных протоколов и вопросов стандартизации.

1.1 Понятие качества обслуживания

Качество обслуживания (Quality of Service, QoS) определяется как мера производительности передающей системы, отражающая качество передачи и доступность услуг.

Качество передачи определяется следующими факторами:

• ? доступность (Availability):
• ? сетевая доступность — диапазон времени сетевой достижимости между входной и выходной точкой сети;
• ? доступность сервиса (Service Availability) — диапазон времени, в течение которого этот сервис доступен между определёнными входной и выходной точками с параметрами, оговорёнными в соглашении об уровне обслуживании (Service Level Agreement — SLA);
• ? потери пакетов (Packet Loss) — отношение правильно принятых пакетов к общему количеству пакетов, которые были переданы по сети;
• ? задержка (Delay) — время, которое требуется пакету для того, чтобы после передачи дойти до пункта назначения:
• ? задержка сериализации (Serialization Delay) — время, которое требуется устройству для передачи пакета заданного размера при заданной ширине полосы пропускания;
• ? задержка распространения (Propagation Delay) — время, которое требуется переданной в канал единице информации для достижения принимающего устройства (зависит от расстояния и среды передачи);
• ? задержка коммутации (Switchiing Delay) — время, которое требуется устройству, принявшему пакет, для начала передачи его следующему устройству;
• ? колебания задержки (Packet Jitter) — разница между сквозным временем задержки, которая возникает при передаче по сети разных пакетов;
• ? пропускная способность (Bandwidth) — общее количество данных, которые могут быть переданы в единицу времени между двумя точками присутствия оператора.

В пакетных сетях в информационном потоке может передаваться разнородный трафик, характеризующийся критичными и второстепенными для себя параметрами. Для передачи аудио- и видеоданных требуются разные требования к QoS. Для передачи видеоданных необходима высокая пропускная способность и стабильное время задержки при передаче.

При этом, чтобы избежать искажений изображения, необходим стационарный поток данных. При интерактивной передаче звука требуется меньше пропускной способности канала, чем при передаче видео, но необходима малая задержка прохождения пакетов через сеть, иначе возникает «эхо».

Качество обслуживания использует распределение по категориям и назначение приоритетов трафикам, что позволяет гарантировать трафику с большим приоритетом лучшие условия передачи через сетевую магистраль, вне зависимости от требований к пропускной способности трафика менее важных приложений.

1.2 Работы МСЭ по стандартизации качества обслуживания в сетях IP

Качество обслуживания (Quality of Service, QoS) является предметом активных исследований и стандартизации на протяжении всей истории развития телекоммуникаций. Существенный вклад в развитие различных аспектов концепции QoS внес Международный союз электросвязи, включая, в том числе, разработку норм и требований к показателям качества обслуживания, стандартизацию сетевых механизмов, обеспечивающих необходимые показатели QoS, а также формулировку основополагающих определений.

Среди стандартов, посвященных качеству обслуживания в электросвязи, одно из центральных мест занимает Рекомендация МСЭ Е.800. В ней качество обслуживания определяется как “суммарный эффект рабочих характеристик обслуживания, который определяет степень удовлетворенности пользователя данной службой”.

Расширяя концепцию качества обслуживания, отвечающую Рекомендации Е.800, Рекомендация МСЭ G.1000 разделяет рабочие характеристики обслуживания на функциональные компоненты и связывает их с сетевыми характеристиками, определенными в ряде рекомендаций МСЭ – таких как 1.350, Y.1540 и Y.1541.

В дополнение к Рекомендации МСЭ G.1000, определяющей структуру связей между рабочими характеристиками (производительностью, надежностью, потерями, задержкой и др.) и характеристиками сети, Рекомендация МСЭ G.1010 содержит спецификации требований со стороны приложений, ориентированных на конечного пользователя.

Исторически, первые системы оценок и механизмов поддержки качества обслуживания были разработаны для традиционных видов электросвязи – телеграфии и телефонии. Понятно, что сегодня при широком применении сетей передачи данных, быстром внедрении широкополосных технологий и замене телеграмм на сообщения электронной почты параметры качества обслуживания и механизмы их поддержки в телеграфных сетях становятся все менее актуальными.

При построении и эксплуатации ТфОП задача обеспечения гарантированного качества обслуживания состоит в том, чтобы обслуживание телефонного вызова осуществлялось с соблюдением всех установленных норм, в том числе, и заданных показателей качества передачи речи. Совокупность этих норм и соответствующих численных значений базируется на документах МСЭ и ETSI.

Модель услуг в ТфОП была основана на принципе установления соединения и в дальнейшем (70-е – 80-е годы прошлого столетия) была распространена на такие технологии передачи данных, как Х.25, Frame Relay и широкополосные цифровые сети интегрального обслуживания (В-ISDN), основанные на модели виртуальных каналов.

В отличие от упомянутых выше технологий в классических сетях IP применяется метод доставки, полностью исключающий любую форму организации соединений – как физических, так и виртуальных. Этот метод основан на рассылке пакетов-дейтаграмм. Качество доставки в традиционных сетях IP базируется на принципе так называемой “наилучшей попытки” (Best effort).

Концепция “наилучшей попытки” предполагает, что пользователи справедливо разделяют доступные сетевые ресурсы, трафик передается со скоростью, максимально возможной в данных условиях загрузки ресурсов сети, но при этом не гарантируется обеспечение любого предварительно определенного уровня качества обслуживания.

Концепция “наилучшей попытки” была достаточно эффективной для приложений, где можно передавать данные не в реальном времени (электронная почта, передача файлов). Кроме того, с учетом переизбытка сетевых ресурсов в транспортных сетях, построенных на базе волоконно-оптических линий связи, принцип “наилучшей попытки” в определенной степени позволяет обеспечить сегодня требования телефонии (голос поверх IP) и других приложений реального времени.

Однако, как только возникает недостаток ресурсов, ведущий к увеличению вероятности потерь пакетов и росту их задержек, для приложений реального времени необходимые показатели качества обслуживания не могут быть обеспечены. Прежде всего, это объясняется основным принципом функционирования IP-сетей – передачей данных в дейтаграммном режиме, т. е. без установления соединений и без управления.

С появлением новых приложений, особенно реального времени (интерактивная передача речи, видеотелефония и видеоконференции), вопрос о гарантированном качестве обслуживания в сетях IP становится одним из наиболее сложных. Это объясняет, почему качество обслуживания в сетях IP остается предметом постоянного внимания МСЭ, ETSI, IETF и других организаций стандартизации в электросвязи.

Сегодня общепризнанно, что сети с коммутацией каналов и пакетов постепенно эволюционируют в направлении создания общей инфраструктуры, базирующейся на протоколах семейства IP. Этот процесс получил название конвергенции. Инфраструктура, возникшая в результате конвергенции, должна будет обеспечивать транспортировку трафика телефонных сетей, сетей телевидения и трафика приложений, традиционно использующих сети Интернет.

Однако, процесс конвергенции до настоящего времени протекает достаточно медленно. И здесь мы вновь возвращаемся к проблеме обеспечения необходимого качества обслуживания, которая является одним из основных тормозящих факторов в процессе конвергенции сетей и услуг и построении единой сети на базе IP, рассматриваемой сегодня как сеть следующего поколения (Next Generation Network, NGN).

Чтобы полностью реализовать преимущества конвергенции в будущих IP- ориентированных сетях, необходимо разработать новые принципы распределения ресурсов сетей и управления трафиком, которые будут гарантировать различные уровни показателей качества обслуживания для большого и разнообразного числа приложений, реализуемых конечными пользователями.

При этом разделение ресурсов и процессы управления трафиком должны быть скоординированы в условиях наличия большого числа разнообразных приложений с существенно отличающимися требованиями к рабочим характеристикам сети (табл. 1.1). Детальное рассмотрение рабочих характеристик, определяющих качество обслуживания, и соответствующих норм будет проведено в следующих разделах.

Таблица. 1.1 Чувствительность различных приложений к сетевым характеристикам

В рамках работ МСЭ по стандартизации качества обслуживания в сетях IP предполагаются следующие этапы решения задачи обеспечения QoS для сетей, построенных на базе IP- ориентированных протоколов:

• ? создание согласованного общего набора рабочих характеристик сетей IP и норм для него;
• ? внедрение сетевых механизмов, которые будут обеспечивать заданные показатели качества обслуживания в конфигурации “терминал-терминал”;
• ? вложение нормированных значений показателей качества обслуживания в протоколы сигнализации;
• ? разработка архитектуры сетевых механизмов поддержки.

В 2002 г. ИК 13 МСЭ-Т опубликовала два международных стандарта, которые отвечают первому из перечисленных этапов. Рекомендация МСЭ Y. 1540 описывает стандартные сетевые характеристики для передачи пакетов в сетях IP. Рекомендация МСЭ Y.1541 определяет нормы для параметров, определенных в Y.

Эти рекомендации важны для всех участников телекоммуникационного сценария – операторов и провайдеров, производителей оборудования и конечных пользователей. Сетевые операторы и провайдеры будут использовать их при планировании, развертывании и оценке сетей IP в соответствии с требованиями конечных пользователей к качеству обслуживания.

Производители будут опираться на эти рекомендации при создании оборудования, которое должно отвечать спецификациям сетевых провайдеров. Наконец, конечные пользователи (в первую очередь, корпоративные) смогут применить рекомендации Y.1540 и Y. 1541 при оценке характеристик реально функционирующих IP-сетей с позиций соответствия этих характеристик требованиям потребителей.

1.3 Стандартизация качества обслуживания в сетях IP в рекомендации МСЭ Y.1540

В Рекомендации Y.1540 рассматриваются следующие сетевые характеристики, как наиболее важные по степени их влияния на сквозное качество обслуживания (от источника до получателя), оцениваемое пользователем:

• ? производительность сети;
• ? надежность сети/сетевых элементов;
• ? задержка;
• ? вариация задержки (джиттер);
• ? потери пакетов.

Производительность сети (или скорость передачи данных) пользователя определяется как эффективная скорость передачи, измеряемая в битах в секунду. Следует отметить, что значение этого параметра не совпадает с максимальной пропускной способностью сети, ошибочно называемой (причем, довольно часто) полосой пропускания.

В Рекомендации Y.1540 не приведены нормативные характеристики производительности сети, которые различаются для различных приложений. Вместе с тем, в Рекомендации

Y.1541 отмечено, что параметры, связанные с эффективной скоростью передачи, могут быть определены через дескриптор трафика IP-сети, описанный в Рекомендации МСЭ Y.1221.

Надежность сети/сетевых элементов. Пользователи обычно ожидают высокий уровень надежности от систем связи. Надежность сети может быть определена через ряд параметров, из которых наиболее часто используется коэффициент готовности, вычисляемый как отношение времени простоя объекта к суммарному времени наблюдения объекта, включающему время простоя и время между отказами.

В идеальном случае коэффициент готовности должен быть равен 1, что означает стопроцентную готовность сети. На практике коэффициент готовности оценивается числом “девяток”. Например “три девятки” означают, что коэффициент готовности составляет 0,999, что соответствует 9 часам времени недоступности (простоя) сети в год.

Необходимо отметить, что обеспечение коэффициента готовности “пять девяток” в сетях IP, построенных на традиционном оборудовании данных (серверы, маршрутизаторы), является достаточно серьезной проблемой. Причина этого состоит в том, что обработка информационных потоков в сетях IP в значительной части базируется на программном обеспечении (а не на аппаратном, как это имеет место в ТфОП).

Таблица. 1.2 Коэффициенты готовности и соответствующие значения времени простоя оборудования

В то же время статистика отказов сетевого оборудования показывает, что надежность программного обеспечения примерно в два раза ниже надежности аппаратного обеспечения.

Параметры доставки пакетов IP. В общем случае сеанс связи состоит из трех фаз – установления соединения, передачи информации и разъединения соединения. В Рекомендации

Y.1540 из трех фаз сеанса связи рассматривается только вторая – фаза доставки пакетов IP. Такой подход отражает природу сетей IP, не ориентированных на установление соединений. Спецификацию рабочих характеристик и параметров QoS для двух других фаз (установление и разъединение соединения) планируется провести в дальнейшем.

Рекомендация МСЭ-Т Y.1540 определяет следующие параметры, характеризующие доставку IP-пакетов.

Задержка доставки пакета IP (IP packet transfer delay, IPTD). Параметр IPTD определяется как время (t2-tx) между двумя событиями – вводом пакета во входную точку сети в момент tx и выводом пакета из выходной точки сети в момент t2, где(г2>г,)и (t2-t,)m:a.

В общем, параметр IPTD определяется как время доставки пакета между источником и получателем для всех пакетов – как успешно переданных, так и пораженных ошибками.

Средняя задержка доставки пакета IP – параметр, специфицированный в Рекомендации Y.1540, определяется как средняя арифметическая величина задержек пакетов в выбранном наборе переданных и принятых пакетов. Значение средней задержки зависит от передаваемого в сети трафика и доступных сетевых ресурсов, в частности, от пропускной способности.

Речевая информация и, отчасти, видеоинформация являются примерами трафика, чувствительного к задержкам, тогда как приложения данных в основном менее чувствительны к задержкам. Когда задержка доставки пакета превышает определенные значения Ттах, такие пакеты отбрасываются.

В приложениях реального времени например, в IP-телефонии) это ведет к ухудшению качества речи. Ограничения, связанные со средней задержкой пакетов IP, играют ключевую роль для успешного внедрения технологии Voice over IP (VoIP), видео-конференций и других приложений реального времени. Этот параметр во многом будет определять готовность пользователей принять подобные приложения.

Вариация задержки пакета IP (IP packet delay variation, IPDV). Параметр VK , характеризует вариацию задержки IPDV. Для IP-пакета с индексом к этот параметр определяется между входной и выходной точками сети в виде разности между абсолютной величиной задержки X К при доставке пакета с индексом к, и определенной эталонной (или опорной) величиной задержки доставки пакета IP, dl 2, для тех же сетевых точек:

Эталонная задержка доставки пакета IP, dx 2, между источником и получателем определяется как абсолютное значение задержки доставки первого пакета IP между данными сетевыми точками. Вариация задержки пакета IP, или джиттер, проявляется в том, что последовательные пакеты прибывают к получателю в нерегулярные моменты времени. В системах 1Р-телефонии это, к примеру, ведет к искажениям звука и в результате к тому, что речь становится неразборчивой.

Коэффициент потери пакетов IP (IP packet loss ratio, IPLR). Коэффициент IPLR определяется как отношение суммарного числа потерянных пакетов к общему числу принятых в выбранном наборе переданных и принятых пакетов. Потери пакетов в сетях IP возникают в том случае, когда значение задержек при их передаче превышает нормированное значение, определенное выше как Гтах.

Если пакеты теряются, то при передаче данных возможна их повторная передача по запросу принимающей стороны. В системах VoIP пакеты, пришедшие к получателю с задержкой, превышающей Тшах, отбрасываются, что ведет к провалам в принимаемой речи. Среди причин, вызывающих потери пакетов, необходимо отметить рост очередей в узлах сети, возникающих при перегрузках.

Коэффициент ошибок пакетов IP (IP packet error ratio, IPER). Коэффициент IPER определяется как суммарное число пакетов, принятых с ошибками, к сумме успешно принятых и пакетов, принятых с ошибками.

1.4 Стандартизация качества обслуживания в сетях IP в рекомендации МСЭ Y.1541

Рекомендация Y.1540 определяет численные значения параметров, специфицированных в ней, которые должны выполняться в сетях IP на международных трактах, соединяющих терминалы пользователей. Нормы на параметры разделены по различным классам QoS, которые определены в зависимости от приложений и сетевых механизмов, применяемых для обеспечения гарантированного качества обслуживания. В табл. 3 представлены нормы на определенные выше сетевые характеристики.

Значения параметров, приведенные в табл. 1.3, представляют собой, соответственно, верхние границы для средних задержек, джиттера, потерь и ошибок пакетов. В Рекомендации Y.154I представлены спецификации набора параметров, которые связаны с измерением реальных значений сетевых характеристик – периода наблюдений, длины тестовых пакетов, числа пакетов и т. д.

В частности, при оценке качества передачи пакетов речи в IP-телефонии минимальный интервал наблюдения должен быть порядка 1-20 с при типичной скорости передачи 50 пакетов/с. Рекомендуемый интервал измерений для задержки, джиттера и потерь должен составлять не менее 60 с.

Таблица. 1.3 Нормы для характеристик сетей IP с распределением по классам качества обслуживания

Примечание: Н-не нормировано

Рекомендация Y.1541 устанавливает соответствие между классами качества обслуживания и приложениями:

? Класс 0 – приложения реального времени, чувствительные к джиттеру, характеризуемые высоким уровнем интерактивности (VoIP, видеоконференции);

• ? Класс 1 – приложения реального времени, чувствительные к джиттеру, интерактивные (VoIP, видеоконференции);
• ? Класс 2 – транзакции данных, характеризуемые высоким уровнем интерактивности (например, сигнализация);
• ? Класс 3 – транзакции данных, интерактивные;
• ? Класс 4 – приложения, допускающие низкий уровень потерь (короткие транзакции, массивы данных, потоковое видео);
• ? Класс 5 – традиционные применения сетей IP.

Помимо определения сетевых параметров и спецификации

норм для них ИК 13 МСЭ-Т проводит в настоящее время работы по идентификации и стандартизации сетевых механизмов, обеспечивающих QoS в IP-ориентированных сетях. В мае 2004 г. Была принята Рекомендация МСЭ Y.1291, описывающая архитектурную модель для поддержки качества обслуживания в сетях с пакетной передачей.

Сетевые механизмы должны использоваться в комбинации с характеристиками качества обслуживания, формируемыми в зависимости от приложений. При разработке архитектуры сетевых механизмов учитывалось, что различные услуги будут иметь разнообразные требования к характеристикам сети.

С учетом тенденции постоянного расширения числа приложений с различными требованиями к характеристикам качества обслуживания архитектура поддержки QoS должна включать в себя широкий набор общих сетевых механизмов, как существующих, так и перспективных, подлежащих разработке.

1.5 Механизмы поддержки качества обслуживания в

сетях IP

Как было отмечено выше, переход к сетям следующего поколения, построенным на базе стека протоколов IP, возможен только при условии, что для большого числа приложений будут обеспечены соответствующие показатели качества обслуживания. Для достижения этой цели был разработан ряд механизмов борьбы с задержками и потерями, которые в соответствии с разрабатываемой Рекомендацией МСЭ-TY.

Рис. 1.1 Три логические плоскости механизмов поддержки качества обслуживания в сетях IP

Плоскость контроля. Механизмы QoS контрольной плоскости оперируют с путями, по которым передается трафик пользователей, и включают в свой состав:

• ? управление допуском (Admission Control, АС);
• ? маршрутизацию для QoS (QoS routing);
• ? резервирование ресурсов (Resource reservation). Плоскость данных. Эта группа механизмов оперирует

непосредственно с пользовательским трафиком и включает в себя:

• ? управление буферами (Buffer management);
• ? предотвращение перегрузок (Congestion avoidance);
• ? маркировку пакетов (Packet marking);

• ? организацию и диспетчеризацию очередей (Queuing and scheduling);
• ? формирование трафика (Traffic shaping);
• ? правила обработки трафика (Traffic policing);
• ? классификацию трафика (Traffic classification).

Плоскость административного управления. Эта плоскость содержит механизмы QoS, имеющие отношение к эксплуатации, администрированию и управлению сетью применительно к доставке пользовательского трафика. В число механизмов QoS на этой плоскости входят:

• ? измерения (Metering);
• ? заданные правила доставки (Policy);
• ? восстановление трафика (Traffic restoration);
• ? соглашение об уровне обслуживания (Service Level Agreement).

Сетевые механизмы QoS (или, следуя терминологии МСЭ, блоки QoS) могут быть специфицированы применительно к сетевым узлам (например, управление буферами узлов) или к сетевым сегментам (маршрутизация QoS), где понятие “сетевой сегмент” может относиться к межконцевому соединению, участку доступа, межузловому участку или участку, соединяющему две и более сетей.

Выводы по лекции 1

• 1. Качество обслуживания определяется как мера производительности передающей системы, отражающая качество передачи и доступность услуг.
• 2. Качество обслуживания использует распределение по категориям и назначение приоритетов трафикам, что позволяет гарантировать трафику с большим приоритетом лучшие условия передачи через сетевую магистраль, вне зависимости от требований к пропускной способности трафика менее важных приложений.
• 3. Рекомендация Y.1541 устанавливает соответствие между классами качества обслуживания и приложениями.
• 4. С учетом тенденции постоянного расширения числа приложений с различными требованиями к характеристикам качества обслуживания архитектура поддержки QoS должна включать в себя широкий набор общих сетевых механизмов, как существующих, так и перспективных, подлежащих разработке.
• 5. Все механизмы борьбы с задержками и потерями разделены по трем плоскостям – плоскости контроля, плоскости данных и плоскости административного управления.

Вопросы для самопроверки по лекции 1

• 1. Дайте понятие качества облуживания.
• 2. Какими факторами определяется качество передачи по IP сети?
• 3. Перечислите и охарактеризуйте рекомендации в области качества обслуживания.
• 4. Какие параметры, характеризующие доставку IP-пакетов, описаны в рекомендации Y.1540?
• 5. Какие классы качества обслуживания описываются в рекомендации Y. 1541?
• 6. Перечислите механизмы QoS в плоскости контроля.
• 7. Перечислите механизмы QoS в плоскости данных.
• 8. Перечислите механизмы QoS в плоскости административного управления.

Литература по лекции 1

• 1. McDysan. QoS and Traffic Management in IP and ATM Networks / McGraw-Hill. 2000.
• 2. E.A. Кучерявый. Управление трафиком и качество обслуживания в сети Интернет / СПб, Наука и Техника. 2004.
• 3. Р. Кох, ГГ. Яновский. Эволюция и конвергенция в электросвязи. – М., Радио и связь. – 2001.
• 4. МСЭ-Т Recommendation Y.1540. IP Packet Transfer and Availability Performance Parameters / December 2002.
• 5. МСЭ-T Recommendation Y.1541. Network Performance Objectives for IP-Based Services / May 2002.

6. МСЭ-T Recommendation Y.1291. An Architectural Framework for Support of Quality of Service in Packet Networks / May 2004.