Поддержка качества услуг в сетях с пакетной коммутацией

Архитектурная модель для поддержки качества услуг доставки информации в сетях с пакетной коммутацией приведена на рисунке 13.16 [3, 4]. Главным в этой архитектурной модели является набор общих сетевых механизмов (или конструктивных блоков для поддержки качества доставки) управления ответом сети на запрос услуги, который может быть специфическим для сетевого элемента, для сигнализации между сетевыми элементами или для управления трафиком и его администрирования при прохождении через сеть.

Конструктивные блоки распределены по трем логическим плоскостям (управления, данных и административного управления) и могут быть использованы в разных комбинациях, образуя различные способы получения удовлетворительного суммарного эффекта от меняющихся показателей качества услуг, которые необходимы для ряда приложений, таких как передача файлов и видеоконференцсвязь. Как показано на рисунке 13.16, конструктивные блоки распределены по трем плоскостям:

• управления, которая содержит механизмы управления трактами, через которые проходят потоки данных пользователя. В состав этих механизмов входит управление допуском, маршрутизация для поддержки качества доставки и резервирование ресурсов;
• данных, которая содержит механизмы, работающие непосредственно с трафиком пользователя. В состав этих механизмов входит управление буферами, предотвращение перегрузки, маркировка пакетов, организация очередей и диспетчеризация, классификация трафика, правила обработки трафика и моделирование трафика;
• административного управления, которая содержит механизмы, относящиеся к эксплуатации и административному управлению сетью. В состав этих механизмов входят: соглашение об уровне обслуживания (SLA), восстановление трафика, измерение и регистрация, а также заданные правила доставки потоков данных.

 

 

 

Механизмы плоскости управления

Управление допуском

Этот механизм управляет допуском трафика к сети. Обычно критерии допуска вытекают из заданных правил доставки (IETF RFC 2753). Получение допуска к сети зависит от априорного соглашения об уровне обслуживания. Кроме того, принятие решения может зависеть от того, доступны ли достаточные ресурсы сети, так чтобы вновь допускаемый в сеть трафик не приводил к перегрузке сети и не снижал качества уже предоставляемых услуг.

 

 

Маршрутизация с поддержкой качества услуги

Маршрутизация с поддержкой качества услуги предусматривает средства определения только того пути, который, вероятно, может обеспечить запрашиваемое качество. Чтобы гарантировать качество при передаче по выбранному пути, необходимо, чтобы маршрутизация с поддержкой качества услуги использовалась в сочетании с резервированием ресурсов на всем протяжении пути доставки данных.

Наиболее вероятно, что выбранный путь – это не традиционный кратчайший путь. В зависимости от специфических факторов и числа используемых показателей качества услуги, вычисления, необходимые для выбора пути, могут оказаться недопустимо дорогими по мере увеличения размера сети. Следовательно, в практических планах маршрутизации с поддержкой качества услуги главным образом рассматриваются случаи с одним показателем качества услуги, например, с задержкой.

 

Резервирование ресурсов

Этот механизм игнорирует требования к необходимым сетевым ресурсам, содержащиеся в запросе, для получения желаемых показателей качества услуг.

Удовлетворение запроса резервирования в значительной степени зависит от управления допуском. Необходимым условием для удовлетворения запроса на резервирование является наличие достаточных ресурсов сети.

Функция резервирования ресурсов может быть реализована распределенным или централизованным способом. Главным вопросом является несоответствие между фактической и предсказываемой доступностью ресурсов, поэтому необходимо проявлять осторожность при использовании самой последней информации о доступности узла, тракта и прочих ресурсов для обращения с запросом ресурсов.

Механизмы плоскости данных

Управление очередью (буферами)

Система управления очередью или буферами принимает решение о сохранении и отбрасывании пакетов, ожидающих передачи. Важной целью управления очередью является минимизация длины очереди в установившемся режиме, когда канал не используется, и устраняется монопольное использование, где одно соединение или поток монополизирует пространство очереди (IETF RFC 2309). Схемы управления очередью различаются, главным образом, по критериям отбрасывания пакетов и по тому, какие пакеты отбрасываются. Общим критерием для отбрасывания пакетов является достижение очереди максимальной длины. Пакеты отбрасываются в том случае, когда очередь заполняется полностью. Могут быть использованы различные дисциплины отбрасывания пакетов.

Предотвращение перегрузки

Перегрузка в сети возникает в том случае, когда трафик близок или превосходит тот объем, который может быть обработан из-за нехватки ресурсов (пропускной способности канала и буферного пространства). Признаком перегрузки является, например, тот факт, что очереди в маршрутизаторе (или коммутаторе) заполнены, и начинается отбрасывание пакетов.

Отбрасывание пакетов вызывает повторную передачу, что приводит к возрастанию интенсивности трафика и увеличению перегрузки. В результате такой цепной реакции сеть может прекратить обслуживание трафика. Для предотвращения перегрузки необходимы надежные средства для удержания нагрузки сети в пределах ее пропускной способности, чтобы сеть могла работать на приемлемом уровне качества, не испытывая последствий перегрузки.

В типичной схеме предотвращения перегрузки используется снижение объема трафика отправителя (как и в классе ABR технологии ATM), поступающего в сеть, если применяется индикации наличия перегрузки в сети. Пока нет явной индикации, потеря пакетов или истечение тайм-аута в таймере обычно рассматриваются как неявная индикация сетевой перегрузки. Режим возврата трафика источника к прежнему уровню зависит от свойств транспортных протоколов. Например, протокол ТСР, использующий режим передачи "окнами", это выполняется путем мультипликативного уменьшения размера окна.

Для предотвращения вероятности чрезмерных задержек из-за повторных передач после потерь пакетов были разработаны схемы явного уведомления о перегрузках (Explicit Congestion Notification, ECN). Схема ECN для протоколов IP и ТСР, в числе прочих схем управления активным буфером, описана в документе IETF RFC 3168. По этой схеме на начальную перегрузку сети указывает маркировка пакетов, а не их отбрасывание. При приеме пакета, испытывающего перегрузку, источник пакетов со схемой уведомления ECN реагирует таким же образом, как на отброшенный пакет.

Организация очередей и диспетчеризация

Система организации очередей обычно состоит из нескольких очередей и планировщика. Под управлением системой организации очередей понимают некоторую дисциплину организации очередей и диспетчеризацию. Принцип действия этого механизма заключается в управлении выбором пакетов для передачи по исходящему тракту.

Существует несколько дисциплин организации очередей:

· "первым вошел, первым вышел" (First-In, First-out, FIFO): пакеты помещаются в одну очередь и обслуживаются в том же порядке, в каком они поступают в очередь;

· обслуживание очереди по "равноправному" принципу (на основе потока): пакеты сначала классифицируются по типам потоков и распределяются по очередям, а затем очереди обслуживаются по круговому алгоритму (очереди, в которых нет заявок, пропускаются);

· по приоритетному принципу: пакеты сначала классифицируются, а затем помещаются в очереди с разными приоритетами (пакеты обслуживаются, начиная с "головы" данной очереди, если только все очереди более высокого приоритета пусты, в каждой из приоритетных очередей пакеты обслуживаются в порядке "первым вошел, первым вышел";

· по взвешенному равноправному принципу: пакеты классифицируются по потокам и распределяются по очередям, выделенным для соответствующих потоков. Очереди присваивается некоторая процентная доля пропускной способности тракта. Путем дифференцирования пакетов по длине в такой дисциплине также предотвращается распределение большой доли пропускной способности тракта для потоков с более длинными пакетами, чем для потоков с более короткими пакетами;

· по принципу, опирающемуся на класс обслуживания: пакеты классифицируются по различным классам обслуживания, а затем присваиваются очередям, относящимся к соответствующим классам. Каждой очереди может быть присвоена своя процентная доля пропускной способности тракта, и эта очередь обслуживается по круговому алгоритму. Пустые очереди пропускаются.

Маркировка пакетов

Пакеты могут маркироваться в соответствии с конкретным классом обслуживания, который им будут присваиваться в сети. Маркировка пакетов, выполняемая, как правило, оконечным узлом, включает в себя присвоение стандартным способом некоторого значения в соответствующем поле заголовка пакета (например, тип услуги (ToS) в заголовке IP-протокола или в поле EXP формата метки (Label) технологии MPLS (IETF RFC 3032)). Если маркировку выполняет хост-узел, то маркер должен быть проверен, и, при необходимости, может быть изменен оконечным узлом. Критерии для маркировки пакетов должны устанавливаться или динамически конфигурироваться, независимо от того, выполняется маркировка хост-узлом или оконечным узлом.

 

Классификация трафика

Классификация трафика может быть выполнена на уровне потока или пакета. На границе сети объект, отвечающий за классификацию трафика, обычно просматривает многокомпонентные поля пакета, определяет тип агрегатного потока данных, к которому принадлежит пакет, и просматривает соответствующее соглашение об уровне качества обслуживания (SLA).

Контроль трафика

Система контроля трафика принимает решение о том, соответствует ли поступающий от одного транзитного узла к другому трафик с заранее согласованными правилами обработки или контрактами. Обычно пакеты с несоответствующими атрибутами отбрасываются. Отправители могут быть уведомлены об отброшенных пакетах и обнаруженных причинах, а также о соблюдении в будущем соответствия, обусловленного SLA.

Моделирование трафика

Система формирования трафика управляет скоростью и объемом трафика, поступающего в сеть. Объект, отвечающий за моделирование трафика, будет помещать несоответствующие пакеты в буфер до тех пор, пока не приведет соответствующий тип агрегатного потока данных в соответствие с трафиком. Таким образом, исходящий трафик будет более равномерным, чем входящий трафик, а это значит, что он будет более предсказуемым. Моделирование трафика часто необходимо выполнять между выходными и входными узлами сети.

Существуют два основных метода формирования трафика: метод с использованием "дырявого ведра" и метод с использованием "маркерного ведра". Метод с "дырявого ведра" используется для регулирования скорости потока, исходящего от узла. Независимо от скорости входного потока, метод "дырявого ведра" позволяет удерживать постоянную скорость исходящего потока. Все излишние пакеты, переполняющие "дырявое ведро", отбрасываются. Характеристиками этого метода служат два параметра, обычно настраиваемые пользователем: размер блока и скорость передачи.

Метод с использованием "маркерного ведра", с другой стороны, не является таким жестким в отношении регулирования скорости потока, исходящего от узла. Он позволяет пакетам покидать узел так же быстро, как они поступают, при условии, что имеется достаточно маркеров. Маркеры генерируются с определенной скоростью и заносятся в "маркерное ведро" до тех пор, пока оно не заполнится. За счет маркера определенное число байтов может покинуть узел. Если в "ведре" нет маркеров, то никакие пакеты не могут быть переданы. Одновременно может быть использовано несколько маркеров, что позволит проходить пачкам пакетов. В этом методе, непохожем на метод "дырявого ведра", нет заданных правил отбрасывания пакетов. Если "маркерное ведро" заполнено, то обработкой пакетов занимается система управления буфером. Характеристиками метода "маркерного ведра" служат два параметра, обычно настраиваемые пользователем: размер блока маркеров и скорость генерирования маркеров.

Метод с "дырявым ведром" и метод с "маркерным ведром" могут использоваться совместно. В частности, трафик может моделироваться сначала по методу с использованием блока маркеров, а затем по методу с использованием "дырявого ведра", чтобы устранить нежелательные пачки пакетов. Два "маркерных ведра" могут также использоваться последовательно.

Механизмы плоскости административного управления

Соглашение об уровне (качества) обслуживания

Соглашение об уровне обслуживания (SLA) обычно представляет собой соглашение между пользователем и поставщиком услуги, который задает уровень доступности, удобства обслуживания, качества, эксплуатации или других атрибутов услуги. Оно может включать в себя такой вопрос, как назначение цены, который носят коммерческий характер. Техническая часть такого соглашения называется Спецификацией уровня обслуживания (Specification Level Service, SLS) [IETF RFC 3198], которая, в частности, включает в себя набор параметров и их значения, которые вместе определяют услугу, предлагаемую пользователю сетью. Параметры спецификации SLS могут носить общий характер, как параметры, которые определены в Рекомендации МСЭ-Т Y.1540, или быть характерными для технологии, как параметры качества и трафика, используемые в технологиях IntServ или DiffServ. В Рекомендации МСЭ-Т E.860 определяется структура соглашения SLA для сетевой инфраструктуры, построенной на оборудовании разных изготовителей.

Измерения и регистрация трафика

К измерениям относится слежение за свойствами потока (например, за скоростью) в сопоставлении с согласованным профилем потока. Измерения включают в себя наблюдение за характеристиками трафика в заданном пункте сети, а также сбор и хранение информации о трафике для анализа и дальнейших действий. В зависимости от уровня соответствия измерительное устройство может инициировать необходимую обработку (например, отбрасывание или моделирование) потока пакетов.

Восстановление трафика

Восстановление определяется в широком смысле в Рекомендации Y.1291 как реакция сети, смягчающая последствия в условиях отказа. Восстановление трафика должно рассматриваться на многих уровнях. В нижней части многоуровневого стека оптические сети с кольцевой и ячеистой структурой в настоящее время могут предоставлять динамическую защиту и восстановление выполняемых функций на уровне длины волны.

На уровне цифровых систем передачи с технологией SDH надежность обеспечивается автоматическим защитным переключением (Automatic Protection Switching, APS), а также самовосстанавливающимися кольцевыми и ячеистыми архитектурами. Режим АТМ также предоставляет подобные возможности. Ремаршрутизация традиционно используется на уровне IP-протокола, чтобы восстановить обслуживание после отказов тракта и узла, и может быть сквозной или местной (быстрая ремаршрутизация). Маршрутизация на уровне IP-протокола возникает после периода конвергенции маршрутизации, которая может требовать для своего выполнения периода времени от единиц секунд до минут.

Правила обработки

Под правилами обработки понимают набор правил, обычно используемых для администрирования, управления и административного управления доступом к сетевым ресурсам. Эти правила могут характеризовать нужды поставщика услуг либо отражать соглашение между пользователем и поставщиком услуг, которое может содержать требования по надежности и доступности за некоторый период времени и прочие требования по качеству услуг. На основе правил обработки поставщики услуг могут осуществлять реализацию механизмов в плоскости управления и плоскости данных. Некоторые из возможных правил:

· маршрутизация по заданным правилам (направление потока пакетов в порт адресата без использования таблицы маршрутизации);

· фильтрация пакетов на основе заданных правил (маркировка или отбрасывание пакетов на основе правил классификации);

· регистрация пакетов (позволяющая пользователям регистрировать заданные потоки) и заданные правила обработки, связанные с безопасностью.

В документе IETF RFC 2748 описывается простой протокол запросов и ответов, который может быть использован для обмена информацией о правилах обработки между сервером этих правил (или точкой принятия решения по заданным правилам) и его клиентом (или пунктом, где выполняются эти правила).

Взаимодействие между конструктивными блоками

В интегральном решении, обеспечивающем качество услуг доставки информации, обычно используется несколько конструктивных блоков в плоскостях управления, данных и административного управления.

Поэтому необходимо, чтобы между разными конструктивными блоками существовал обмен параметрами о качестве услуг. Эти параметры включают в себя показатели качества транзакций на уровне пакета (например, задержка и потери пакетов) и ожидания по надежности/доступности услуги в форме уровней приоритетов трафика для конкретных сетевых функций, таких, как управление допуском к ресурсам сети и восстановление трафика. Примерами механизмов по переносу этих значений параметров являются сигнализация и анализ содержимого баз данных.

 

Стеки протоколов мультимедиа (Multimedia protocol stack)

На рисунке 13.17 приведены стеки протоколов, используемых для гарантированной доставки мультимедийной информации.

Протокол транспортного уровня TCP поддерживает гарантированную доставку сигнальных сообщений протоколов:

· управления шлюзами – MGCP/MEGACO;

· описания сеансов связи – SDP;

· инициализации сеанса связи в пакетных сетях – SIP;

· управления вызовом, включая сигнализацию и регистрацию, а также пакетизацию и синхронизацию потоков мультимедийных данных – H.225 (входит в состав стека протоколов Н.323 организации мультимедиа связи в пакетных сетях, в том числе в ЛВС Ethernet).

Протоколы прикладного (RTP) и транспортного уровня (TCP) поддерживают гарантированное выделение ресурсов и доставку мультимедийной информации:

· потокового видео – RTSP;

· резервирования транспортных ресурсов для доставки пользовательских данных – RSVP;

· контроля транспортировки информации в реальном масштабе времени – RTCP;

· транспортировки аудио- и видеоинформации в реальном масштабе времени – RTP;

· описания сеансов связи (Session Description Protocol, SDP).

Наивысшее качество доставки информации в реальном масштабе времени на уровне звена данных обеспечивает технология ATM.

 

 

Технологии физического уровня

Технология SDH (Synchronous Digital Hierarchy) - синхронная цифровая иерархия (международный стандарт первичной высокоскоростной синхронной сети с временным разделением каналов и волоконно-оптическими линиями связи) [5]. В качестве базовой выбрана скорость V=155,52 Мбит/с синхронного транспортного модуля типа 1 (STM-1). Интерфейсы и требования к каналам первичной сети с технологией SDH определены в стандартах ITU-T G.707-G.709.

Технология WDM (Wavelength Division Multiplexing) – мультиплексирование (с разделением) по длинам волн; оптическое разделение каналов (ОРК). Метод мультиплексирования сигналов, позволяющий передавать по одному волоконно-оптическому кабелю несколько световых пучков (обычно до 16) с разной длиной волны (расстояние между мультиплексными каналами обычно не превышает 1,6 нм). Обычно волновое мультиплексирование осуществляется в окне прозрачности 1530-1550 нм, где обеспечивается минимальное затухание сигнала – до 0,2 дБ/км (для одномодового волокна).

 

Контрольные вопросы

1. Какова предпочтительная область применения технологии IP/MPLS?
2. Что понимают под агрегирование в сети с технологией MPLS?
3. На каком протокольном уровне создаются виртуальные соединения в сетях с технологиями ATM и MPLS?
4. Зависят ли затраты вычислительной мощности любого пакетного коммуникационного устройства от размера пакетов (или кадров, ячеек)?
5. Изобразите эталонную модель протоколов B-ISDN с технологией ATM.
6. Изобразите формат ячейка ATM.
7. Изобразите формат быстрого пакета (fast packet).
8. Изобразите путь (Path), связывающий с помощью LSR два граничных маршрутизатора домена MPLS.
9. На какие уровни разделены базовые компоненты MPLS?
10. Охарактеризуйте операции над стеком меток MPLS.
11. Каковы функции протокола распределения меток LDP?
12. Что понимают под стеком меток?
13. Какие операции могут быть выполнены над стеком меток?
14. Охарактеризуйте известные Вам технологии физического уровня телекоммуникационных сетей.

 

Библиография

1. Столлингс В. Современные компьютерные сети. 2-е издание. – СПб: ПИТЕР. 2003. 783 с.

2. А.Б. Гольдштейн, Б.С. Гольдштейн Технология и протоколы MPLS. - «БХВ - Санкт-Петербург», 2005, 301 с.

3. Рекомендация МСЭ-Т Y.1291 (05/2004). Архитектурная модель для поддержки качества услуги в сетях с пакетной передачей.

4. Рекомендация МСЭ-Т Y.1281 (09/2003). Аспекты межсетевого протокола (IP) – Архитектура, доступ, сетевые возможности и административное управление ресурсами. Мобильные службы IP через MPLS.

5. В.В. Величко, Е.А. Субботин, В.П. Шувалов, А.Ф. Ярославцев Телекоммуникационные системы и сети. Современные технологии, Том 3 Мультисервисные сети. М.: Горячая линия-Телеком. 2005. 592 с.