Протоколи QoS-сигналізації та маршрутизації, які здійснюють координацію роботи мережних елементів

2.  Протоколи QoS-сигналізації та маршрутизації, які здійснюють координацію роботи мережних елементів.

3.  Централізовані функції політики, управління й обліку QoS, які дозволяють адміністраторам мережі цілеспрямовано впливати на мережні елементи для поділу ресурсів мережі між різними видами трафіку відповідно до заданого рівня QoS.

Рисунок 4 – Базова архітектура управління мережними ресурсами

Централізовані функції політики, управління й обліку QoS не є необхідним засобом архітектури управління, але дуже бажані у територіально-розподілених мережах. З огляду на те, що кожен користувач і кожна аплікація прагнуть одержати обслуговування з максимально високим рівнем якості (наприклад, пропускної здатності), то мають існувати засоби, за допомогою яких адміністратор міг би виконувати функцію арбітра й задавати раціональний рівень якості обслуговування для груп або окремих користувачів і аплікацій. Функції політики дозволяють адміністраторові створювати правила, за якими мережні пристрої можуть формально, на підставі набору ознак, розпізнавати окремі типи трафіку й застосовувати до них певні функції управління.

Що стосується єдності політики, то її правила й засоби можуть конфігуруватися окремо в кожному мережному пристрої, або ж бути централізованими. Централізація засобів політик управління та забезпечення QoS припускає єдність правил політики, справедливих для всіх пристроїв мережі, і використання для їхнього зберігання на сервері політик. У цьому випадку адміністратор конфігурує правила політики в одній точці, потім за допомогою спеціального протоколу ці правила поширюються всіма мережними пристроямми, що підтримує якість обслуговування, а мережні пристрої застосовують політику для формування (профілювання) трафіку й управління чергами відповідно до встановлених QoS-вимог.

Служби QoS, в яких працюють централізовані системи підтримки політики, називаються службами QoS, заснованими на політиці (policy-based QoS). Правила політики корисні не тільки для управління QoS, але і для координації мережних пристроїв при виконанні інших функцій, наприклад, функцій захисту трафіка. Тому централізована система політики мережі звичайно базується на загальній довідковій службі мережі (Directory Service), що традиційно зберігає всі облікові дані про користувачів (ім'я – пароль).

Крім перерахованого, слід окремо виділити засоби підвищення ефективності використання канальних ресурсів (Link Efficiency Mechanisms) – фрагментація (дефрагментація) пакетів й їхнє стиснення, використання яких у мережі сприяє підвищенню якості надаваних мережею послуг. Обов'язковим елементом QoS-мережі є наявність механізмів управління доступом (Call Admission Control, CAC), що покликані захистити мережу від перевантажень шляхом запобігання надходженню в мережу трафіка в обсязі більшому, ніж мережа здатна передати. Відмовляючи в обслуговуванні новим потокам, які запитують певний сервіс, механізм САС не тільки захищає трафік даних від відкидання, але і забезпечує стабільну якість передачі вже прийнятих до обслуговування потоків.

Серед названих функцій QoS класифікація, маркування пакетів і управління інтенсивністю реалізуються в приграничних вузлах мережі. Управління інтенсивністю (формування трафіка) реалізується з метою зміни параметрів вхідного трафіка відповідно до заданого профілю, зазначених у SLA.

Відзначимо, що укладання між користувачем і провайдером (оператором зв'язку) угоди про рівень обслуговування (SLA), у якій чітко обумовлюються вимоги щодо розглянутих параметрів мережного з'єднання – смузі пропускання, затримки, джитера і припустимого рівня втрат, а також деяких інших параметрів потоку, є необхідною умовою забезпечення мережею належної якості обслуговування. SLA є свого роду трафік-контрактом.

Основними функціями формування трафіка є його вирівнювання (traffic shaping) і обмеження (traffic policing). Вирівнювання трафіка дозволяє усунути сплески і тим самим зменшити імовірність втрати пакетів даних. Обмеження трафіка полягає у відкиданні пакетів, що не задовольняють заданим параметрам, і здійснюється, наприклад, за допомогою механізму узгодження швидкості доступу (Committed Access Rate, CAR). В основу задач вирівнювання й обмеження трафіка покладені алгоритми дозування трафіка, які мають назви «кошик маркерів» (token bucket) і «діряве відро» (leaky bucket), а також їхні різновиди.

Управління смугою пропускання може здійснюватися шляхом нормування швидкості TCP (TCP rate shaping), що зводиться до перехоплення і маніпулювання розмірами TCP-вікна, або за допомогою механізмів організації й обслуговування черг. Механізм обслуговування черг шляхом регулювання порядку обслуговування пакетів певного потоку (класу) трафіка дозволяє варіювати частоту їхньої обробки і тим самим виділяти визначену смугу пропускання даному потокові (класові). Для забезпечення QoS механізм обслуговування черг повинен мати можливість диференціювання різних потоків і визначення рівня їхніх вимог до обробки. Прикладами механізмів, здатних забезпечити необхідну смугу пропускання в мережах IP, є зважений механізм рівномірного обслуговування черг WFQ (Weighted Fair Queuing), зважений механізм рівномірного обслуговування черг на основі класу CBWFQ (Class-Based Weighted Fair Queuing) і на основі потоку (Flow-Based Distributed Weighted Fair Queuing).

Необхідною умовою для забезпечення мережею гарантованого рівня обслуговування є відсутність у ній перевантажень, тобто станів, при яких мережа не здатна забезпечити узгоджені параметри існуючих з'єднань. Запобігання перевантажень і їхнє усунення в мережах АТМ відповідно до рекомендації ITU–T I.371 і специфікацією форуму ATM „Traffic Management Specification” визначені як основні задачі управління трафіком (Traffic Management), компонентами якого є управління доступом до мережі, управління пріоритетами, формування трафіка, розподіл ресурсів, відкидання пакетів.

Алгоритм відкидання пакетів визначає спосіб регулювання довжини черги у випадку виникнення перевантаження або при наближенні до цього стану. Перший випадок відповідає механізмові обслуговування черг FIFO, що передбачає відкидання усіх вхідних пакетів при досягненні чергою свого максимального значення. В другому випадку задіються активні механізми управління чергами, що дозволяють запобігти перевантаженню шляхом превентивного відкидання пакетів і тим самим попередити джерело про можливе перевантаження. Прикладами активних механізмів управління чергами є алгоритм довільного раннього виявлення RED (Random Early Detection), зважений алгоритм довільного раннього виявлення WRED (Weighted RED). Запобігання перевантаженню в мережах IP можливе за допомогою алгоритму явного повідомлення про перевантаження ECN (Explicit Congestion Notification), а також шляхом управління розмірами TCP-вікна.

Необхідною умовою гарантованого забезпечення QoS є наявність протоколу, що дозволяє аплікаціям проводити сигналізацію своїх QoS-вимог. Протоколи сигналізації QoS дозволяють механізмам QoS окремих вузлів обмінюватися службовою інформацією, що сприяє координації зусиль щодо забезпечення параметрів якості обслуговування уздовж всього шляху проходження потоку, тобто "з кінця в кінець". Яскравим прикладом протоколів даної групи є протокол RSVP (ReSerVation Protocol), призначений для резервування мережних ресурсів для кожного потоку на всіх маршрутизаторах, через які здійснюється доставка інформації, відповідно до запитуваного рівня QoS. RSVP сигналізує про запити резервування ресурсів доступним шляхом в мережі. При цьому велику роль у забезпеченні QoS відіграють протоколи маршрутизації, що визначають шлях, уздовж якого проводитиметься резервування. У світлі вищевикладеного перехід від традиційної маршрутизації найкоротшим шляхом до маршрутизації, що враховує при виборі маршруту QoS-вимоги потоку і наявність мережних ресурсів уздовж усього маршруту доведення (маршрутизація з підтримкою QoS), дозволить значно підвищити можливості мережі в плані гарантованого забезпечення QoS.

Ініціювати роботу протоколу сигналізації може як кінцевий вузол (як в RSVP), так і проміжний пристрій. Наприклад, прикордонний маршрутизатор сервіс-провайдера здатен виконати класифікацію трафіка і зарезервувати в мережі провайдера даному потокові деяку пропускну здатність. У цьому випадку координація мережних пристроїв відбуватиметься не на всьому шляху проходження трафіка, а тільки в межах мережі даного провайдера, що, звичайно, знижує якість обслуговування трафіка.

Один із примітивних засобів сигналізації є маркування пакета позначкою, яка несе інформацію про необхідний для пакета рівень якості обслуговування. Найчастіше з цією метою використовується поле пріоритету (у пакеті IPv4 перші три біти поля Type оf Service, TоS). Маючи таку позначку, пакет переносить уздовж шляху проходження свої вимоги до якості обслуговування, щоправда, у досить узагальненій формі – у зв’язку з тим, що поле пріоритету має усього кілька можливих значень, якість обслуговування надаватиметься диференційовано за декількома агрегованими потоками мережі.

Як саме перераховані механізми управління впливають на параметри з'єднання, показано в табл. 2 – 4.

Таблиця 2 – Засоби QoS , що впливають на смугу пропускання

Таблиця 3 – Засоби QoS , що впливають на втрати

Таблиця 4 – Засоби QoS , що впливають на затримку і джитер

Для організації ефективного управління мережею і забезпечення гарантованого QoS необхідними умовами є:

- реалізація QoS «зверху вниз»;

- реалізація QoS «від краю до краю».

Перша умова вимагає узгоджену взаємодію засобів різних рівнів еталонної семирівневої моделі, тому що задача забезпечення гарантованого QoS стосується всіх аспектів функціонування ТКС, не будучи при цьому задачею якого-небудь одного рівня. Тому цілісне розв’язання задачі забезпечення гарантованого QoS можливе тільки шляхом взаємоузгодженого розв’язання підзадач окремих рівнів – від фізичного до прикладного. Використання в рамках однієї мережі різних телекомунікаційних технологій і протоколів, наскрізна взаємодія яких починається, як правило, з мережного рівня, дозволяє зробити висновок про те, що підтримка наскрізного гарантованого QoS у таких мережах найефективніше забезпечується методами мережного рівня, тому в даній дисципліні основну увагу буде зосереджено на забезпеченні QoS засобами саме мережного рівня.

Друга умова вимагає наявності механізмів QoS у мережах різних рівнів ієрархії (оператора зв'язку і підприємства, LAN і WAN), а також їхню координацію.

4. Рівні якості обслуговування і відповідні архітектурні моделі

QoS можна розглядати як міру якості передачі і доступності сервісу в мережі, а згідно з цим можна виділити три рівні якості обслуговування: від відсутності всіляких гарантій щодо якості обслуговування до їхнього твердого забезпечення за всіма параметрами передачі. Виділяють такі рівні якості обслуговування:

- негарантована доставка даних (best-effort service);

- сервіс з перевагою (soft QoS) або диференційоване обслуговування (Differentiated Service, DiffServ);

- гарантоване обслуговування (hard QoS).

Негарантована доставка даних (best-effort service) є доставкою за можливістю, яка передбачає тільки забезпечення зв’язності вузлів мережі, і не гарантує забезпечення будь-яких показників якості обслуговування. Негарантована доставка пакетів є на сьогоднішній день єдиною послугою, яка підтримується в Internet. Незважаючи на деяке зниження продуктивності, для більшості аплікацій, що орієнтовані на передачу інформації (наприклад, аплікацій, які забезпечують взаємодію за FTP), ця послуга є цілком достатньою.

Забезпечення QoS у випадку обслуговування з перевагою (DiffServ) досягається шляхом диференціювання вхідного трафіка на підставі його вимог до якості обслуговування і відповідного присвоєння пріоритетів. Ця схема забезпечує обслуговування одних класів трафіка на більш високому рівні в порівнянні з іншими, однак саме по собі диференційоване обслуговування не забезпечує гарантій щодо якості наданих послуг («м'який» QoS). Диференційоване обслуговування зручне для застосовування в мережах з інтенсивним трафіком аплікацій. У цьому випадку важливо забезпечити відокремлення адміністративного трафіка мережі від всього іншого трафіка і призначити йому пріоритет, що дозволяє в будь-який момент часу бути упевненим у зв’язності вузлів мережі.

Гарантоване обслуговування передбачає забезпечення твердих гарантій щодо виконання вимог потоків трафіка. Це досягається шляхом попереднього резервування мережних ресурсів уздовж шляхів доведення відповідно до запитуваного рівня обслуговування в термінах розглянутих вище параметрів передачі. Резервування мережних ресурсів дозволяє зменшити величину затримки передачі пакета за рахунок зменшення затримки комутації і звести до мінімуму рівень втрат пакетів.

Відповідно до описаних рівнів QoS були розроблені архітектурні моделі QoS, що базуються вже на конкретних механізмах і протоколах. Існує дві основні архітектурні моделі: інтегрованих послуг (Integrated Service, IntServ) і диференційованих послуг (Differentiated Service, DiffServ), де перша реалізує рівень гарантованого обслуговування (hard QoS), друга – однойменний рівень диференційованого обслуговування (soft QoS).

Архітектура IntServ з'явилася першою в 1994 році (RFC 1633) і передбачала надання рівня «hard» QoS шляхом резервування ресурсів для кожного потоку індивідуально (рис. 5). Незважаючи на очікувану високу якість обслуговування архітектура не одержала поширення на практиці, що пов’язано з її низкою масштабованістю. У відповідь на недоліки IntServ з'явилася архітектура DiffServ (RFC 2474, RFC 2475, 1998 рік), що передбачає агреговане обслуговування потоків (потоки з однаковими вимогами до сервісу поєднуються в один клас, що обслуговується як єдине ціле). Хоча модель DiffServ не здатна за своєю суттю забезпечити твердих гарантій щодо якості передачі, вона одержала поширення на практиці. Однак цей недолік усе-таки сприяв пошуку нових рішень в області QoS. Це рішення знайдене в спільному використанні IntServ і DiffServ у рамках технології MPLS (MPLS DiffServ Aware Traffic Engineering), де, як у DiffServ, передбачається агрегація потоків у класи, для яких, як у IntServ, резервується смуга і до яких застосовуються функції управління доступом і маршрутизація з урахуванням обмежень, як у Traffic Engineering.