Определение QoS связано с техническим подходом к обеспечению параметров передачи данных. Пользователь, пользующийся услугой, или поставщик, предоставляющий эту услугу, имеют определенные ожидания. Для пользователя наиболее важно получить наилучшее качество соответствующих услуг. В случае поставщика он должен обеспечить техническую осуществимость услуги с учетом затрат. Поэтому мы делим QoS на три категории:

• Воспринимаемое QoS - воспринимаемое качество обслуживания,
• Оценка качества обслуживания - оценка качества обслуживания,
• Внутренний QoS - неотъемлемое качество обслуживания.

Воспринимается качество обслуживания и оценивается, оно относится к впечатлениям при использовании его пользователем. Эти две категории в основном связаны с маркетинговой политикой поставщика услуг. Качество оцениваемой услуги в основном определяется мнением других пользователей, которые также хотят понести качество услуг, если мнения не являются полезными для провайдера на форуме. Качество, присущее услуге, связано с техническими параметрами, параметрами линии передачи и используемыми протоколами, которые направлены на обеспечение качества обслуживания.

Внутреннее QoS (неотъемлемое качество обслуживания) обладает следующими свойствами:

• пропускная способность,
• задержка
• задержка колебаний,
• потери пакетов.

Чтобы обеспечить параметры передачи, необходимо измерить значения, для их достижения вам нужна метрика измерения. Метрики измерения должны быть строго определены, и их измерение должно гарантировать повторяемость измерений в идентичных условиях сети.

Метрики измерения определены, среди прочего IETF (Целевая группа по инженерным вопросам интернета) и ITU-T (Международный союз электросвязи). МСЭ разрабатывает стандарты высокого качества, которые охватывают все области телекоммуникаций. Основана в 1993 году. МСЭ-Т среди крупнейших польских компаний, среди других Полкомтел С.А., НАСК, Апельсин (Telekomunikacja Polska).

• Методы измерения показателей QoS

Классифицируя методы измерения, их можно разделить на активные методы и пассивные методы. Благодаря управлению измерениями и получению результатов вы можете различать инструменты, которые работают в следующих режимах:

• Off-line - измерения в запланированных экспериментах,
• Он-лайн - измерения в работающей сети.

Вышеуказанные критерии не зависят друг от друга, и методы активного или пассивного измерения могут использоваться инструментами, работающими в автономном и онлайн-режиме.

• Активный метод измерения -

Активный метод измерения позволяет получить значения метрик QoS, если мы отправляем специальные пакеты измерений как часть отслеживаемого потока трафика. В активном способе измерительный пакет отправляется так же, как пользовательские пакеты. Значения метрик, измеренных для перемещения измерения, являются приблизительными для значений метрик для пользовательских пакетов. При использовании активного метода дополнительное перемещение вводится на определенное измеренное расстояние, но простота выполнения и управления измерениями делает его наиболее часто используемым методом в инструментах и ​​системах для измерения параметров QoS.

Этот метод регистрирует пакеты и соответствующие им временные метки в двух точках измерения. Собранные измерения из двух точек анализируются. Сравнение меток времени для пакета позволяет нам определить время отправки пакета между двумя точками. Пассивный метод требует синхронизации часов в точках измерения.
Разница между этими методами заключается в том, что пассивный метод не вносит дополнительный сетевой трафик. Благодаря этому методу вы можете непосредственно измерить качество сообщения, полученного пользовательскими пакетами, но это сложно реализовать и дополнительно требует записи всего сетевого трафика в данных точках измерения. Обработка результатов, полученных в результате измерений, является сложной.

В автономном методе результаты измерений собираются и сохраняются в базе данных. Результаты обрабатываются после завершения измерений. В основном этот метод используется при тестировании новых механизмов и устройств, которые обеспечивают параметры QoS в лабораторных сетях.

Он-лайн метод использует механизм движущегося измерительного окна. Сбор результатов из точек измерения происходит через определенные промежутки времени, не прерывая процесс измерения. Этот метод позволяет отслеживать сеть на постоянной основе, а также информацию о текущем состоянии сети и качестве передачи пакетов.

Сетевые архитектуры с гарантированными параметрами QoS.
Одной из наиболее важных проблем при создании мультисервисной сети является создание инфраструктуры, которая позволяет эффективно передавать информацию для разных классов обслуживания. Классы отличаются друг от друга, среди прочего, типом генерируемого трафика и требованиями, касающимися качества передачи пакетов.
В следующей таблице (Таблица 1) представлены примеры требований QoS для выбранных аудио, видео и услуг передачи данных:

table1

Аудио разговор <150 (максимум 400) <1 <3 Голосовые сообщения <1000 (воспроизведение)
<2000 (запись) <1 <3 Услуги потоковой передачи <10000 << 1 <1 Видео Видеоплеер <150 (до 400) Без ограничений <1 Услуги потоковой передачи <10000 Без ограничений <1 Данные Интерактивные игры <200 Без ограничений 0 Telnet <200 Нет ограничения 0 Электронная почта (доступ к серверу) Pref. <2000
Акцепты. <4000 Без ограничений 0 Электронная почта (между серверами) До дюжины минут Без ограничений 0 Факс <30000 / страница Без ограничений <0,001

Основным параметром является полоса пропускания канала, в то время как в случае услуг, предоставляемых в режиме реального времени, задержка и ее изменчивость также важны. В случае передачи данных наиболее важным параметром является потеря информации, поэтому необходимо использовать надежные системы, обеспечивающие исправление в случае ошибок и повторную передачу в случае потери некоторой информации.

В связи с этими требованиями возникла необходимость разработать механизмы и сетевую архитектуру, которые позволяют гарантировать качественные параметры передачи данных QoS. Основным параметром является полоса пропускания линии связи, тогда как в случае услуг, предоставляемых в реальном времени, задержка и ее изменчивость также важны. В случае передачи данных наиболее важным параметром является потеря информации, поэтому необходимо использовать надежные системы, обеспечивающие исправление в случае ошибок и повторную передачу в случае потери некоторой информации.

Архитектура интегрированных услуг

Организация IETF разработала в 1994 году модель интегрированных сервисов IntServ (рисунок 1). Целью проекта было гарантировать качество услуг по последовательности пакетов из одного источника и одного получателя.

В маршрутизаторах и других сетевых устройствах должны существовать механизмы контроля качества услуг, эти устройства должны распознавать и поддерживать протоколы, связанные с резервированием ресурсов, кроме того, приложение должно иметь возможность определять и передавать в сеть требования к качеству обслуживания.

Рисунок 1

В модели IntServ мы определяем три типа сервисов управления сетевым трафиком:

• Гарантированное качество обслуживания - гарантированное качество обслуживания. Гарантированное качество обслуживания - гарантированное качество обслуживания.

Гарантированный сервис может использоваться для поддержки приложений, требующих ограниченного времени доставки. Для этого типа приложения данные, предоставляемые приложению после превышения предварительно определенной единицы времени, бесполезны. Следовательно, гарантированная услуга предназначена для поддержания определенного значения задержки при доставке сквозных пакетов (сквозной) для потока. Это достигается путем контроля задержек в очереди в сетевых элементах вдоль пути потока данных. Гарантированная услуга не вводит ограничений в джиттер (то есть время между последовательными входящими пакетами).

• Сервис с контролируемой нагрузкой - сервис обеспечивает определенное качество обслуживания.

Он может использоваться для адаптивных приложений, которые допускают определенные задержки, но чувствительны к условиям перегрузки трафика. Эти типы приложений эффективно работают, когда сеть слегка загружена, а производительность сильно снижается в условиях высокой сетевой нагрузки. Таким образом, служба с контролируемой нагрузкой была разработана таким образом, чтобы предоставлять примерно ту же услугу, что и служба с максимальными усилиями в слабо загруженной сети, независимо от текущего состояния сети. Эта услуга качественно описывается как услуга, в которой отсутствуют конкретные значения задержки и потери.

• Best Effort - услуга без предоставления параметров передачи.

В этой услуге передача происходит в максимально возможной полосе пропускания, без гарантии параметров передачи данных. Best Effort - это стандартный способ обработки пакетов в Интернете.
Admission Control (AC) - контроль доступа необходим для того, чтобы потокам было гарантировано качество обслуживания без негативного влияния на уже поддерживаемые потоки. Он вызывается сообщениями протокола резервирования во время каждого уведомления о новом потоке. Результат контроля определяется долей ресурсов в обслуживании текущих потоков и нагрузкой на сеть.

В архитектуре IntServ требуется резервирование ресурсов, поэтому для установления соединения в сети следует использовать протокол сигнализации. Для этой цели был разработан протокол резервирования ресурсов (RSVP). Примерный поток сигнальных сообщений в протоколе RSVP показан на рисунке 2:

Рисунок 2

Передающая страница запрашивает резервирование ресурса, отправляя сообщение PATH. Каждый последующий маршрутизатор, который получает пакет PATH, запоминает адрес предыдущего маршрутизатора и вместо него вводит свой адрес и отправляет пакет дальше следующему маршрутизатору на пути. Если пакет достигает получателя, пакет RESV создается из полученных данных - запрос резервирования. Если на маршруте пакета PATH есть ссылка, которая не соответствует ожиданиям с его параметрами, выполняется поиск другого маршрута, и если такой маршрут не происходит, отправляется сообщение обратной связи и операция отменяется.
Запрос на резервирование состоит из двух объектов, FlowSpec и FilterSpec, которые называются Flow Descriptor - дескриптор потока. FlowSpec определяет запросы QoS, в то время как FilterSpec определяет набор пакетов, которые ведут себя в соответствии с FlowSpec.

Объект FlowSpec состоит из класса обслуживания, Rspec - спецификация резервирования, определяющая QoS и Tspec, - описывающая поток данных.
Поля в дескрипторе потока имеют следующие задачи:

• FilterSpec - идентификация пакетов, принадлежащих определенному потоку.
• FLOWSPEC:
  • Tspec - алгоритм формирования трафика
  • Rspec - параметры QoS, например: полоса задержки.

После получения сообщения RESV маршрутизатор использует объект FilterSec для установки параметров классификатора, FolowSpec устанавливает параметры в механизме канального уровня, а затем направляет пакет на соседний маршрутизатор, адрес которого был сохранен во время передачи пакета PATH. Резервирование будет успешно установлено, когда RESV достигнет отправителя пакета PATH. После такой операции приложение от передающей станции может начать передавать данные.
IntServ гарантирует качество параметров для соединения точка-точка (точка-точка). К недостатку архитектуры IntServ ясно, что каждое сетевое устройство в таком соединении должно хранить данные резервирования в буфере. Это снижает масштабируемость и в то же время увеличивает затраты на реализацию такой модели.

Архитектура дифференцированных сервисов (DiffServ)

Проблема масштабируемости появилась в архитектуре IntServ, DiffServ [26] избегает этой проблемы. Предполагается, что в сети мы определяем соответствующие наборы сетевых служб, но только на основе механизмов определения приоритетов потоков в маршрутизаторах.

Только в пограничных маршрутизаторах классификация сетевых услуг осуществляется с использованием информации, содержащейся в поле Класс трафика в заголовке 8-битного IP-пакета. 6 самых старых битов этого поля содержат кодовую точку дифференцированного обслуживания (DSCP). Кроме того, как и RSVP, можно намного проще классифицировать потоки, используя поле «Метка потока» в заголовке IP. Маршрутизатор в домене читает это поле и в первом порядке обрабатывает данный поток. Это поле также позволяет использовать методы QoS для пакетов IPsec, которые до сих пор не имели возможности обрабатывать, поскольку они имели зашифрованный заголовок. В настоящее время использование поля «Метка потока» ограничено, оборудование, используемое в сетях, не имеет возможности управлять этим полем.

В архитектуре DiffServ был определен способ использования поля DSCP и правила пересылки пакетов в маршрутизаторе с использованием Per Hop Behaviors (PHB).
В этой архитектуре был определен способ использования поля DSCP и определен набор правил пересылки пакетов в так называемом маршрутизаторе. PHB (называется Per Hop Behaviors).
Согласно RFC4594, существуют основные правила для передачи пакетов PHB, которые
в простейшем случае они могут представлять два уровня обработки пакетов:

• Ускоренная пересылка (EF) - ускоренная пересылка - определяется в одном значении поля DSCP и используется для обеспечения качества обслуживания, связанного с параметрами задержки. Трафик контролируется при входе в сеть; пакеты, которые не соответствуют условиям, определенным в профиле трафика потока или группы потоков, удаляются из сети.
• Гарантированная пересылка (AF) - при условии передачи - определяет четыре класса
  и три уровня отклонения пакетов в каждом классе (что дает в общей сложности
  12 значений поля DSCP). Если движение данного потока или потоков не соответствует условиям, созданным в профиле движения для данного класса, оно может быть отправлено как движение, принадлежащее низшему классу, или отклонено.
• Best Effort (BE) - услуга без предоставления параметров передачи и с самой высокой пропускной способностью.
  Правила PHB в архитектуре DiffServ могут быть реализованы с использованием алгоритма управления очередью и очередью. Кроме того, мы можем выделить функциональные элементы в маршрутизаторах, которые можно использовать в зависимости от местоположения в сети, в которой расположен маршрутизатор, местоположения границы или магистрали и принятого правила для обработки отдельных классов трафика.

Список сервисов для архитектуры DiffServ (таблица 2):

table2

Класс PHB Гарантированная пересылка (AF) Ускоренная пересылка (EF) Опция Best Effort (BE) Класс приоритета 4, каждый с 3 подклассами, удаляющими пакеты Нет выделенных линий обслуживания Рекомендуемые значения в поле DSCP AF1 AF2 AF3 AF4 101110 000000 Низкий 010000 011000 100000 101000 Средний 010010 011010 100010 101010 High Traffic 010100 011100 100100 101100 Управление трафиком Статический SLA, управление, классификация, маркировка в соответствии с алгоритмами RIO / WRED Динамический SLA, управление, классификация, определение в соответствии с алгоритмом WFQ Очередь FIFO Трафик, который не соответствует контракту SLA Пометить как лучший шаг Удалить вперед

Пакеты могут быть отнесены к соответствующему классу обслуживания по следующим критериям:

• IP-адрес, источник или цель,
• Номер порта TCP / UDP,
• интерфейс,
• MAC-адрес

Сетевые устройства с расширенными параметрами также позволяют классифицировать пакеты на основе прикладного уровня, на котором распознается тип приложения. Неотъемлемым функциональным элементом в сетях DiffServ является Bandwidth Broker (брокер пропускной способности), который управляет доменом DiffServ и позволяет предоставлять услуги с установленным QoS с максимальным использованием сетевых ресурсов. Задачи брокера:

• Контроль допуска на основе измерений, предотвращающий чрезмерный трафик
  и защита от ослабления уже поддерживаемых потоков,
• согласованная настройка граничных и базовых маршрутизаторов в одном домене, которая зависит от параметров отправки, необходимых для реализации PHB,
• ценообразование, если, например, оператор по-разному тарифицирует услуги разных классов QoS,
• техническое обслуживание заключается в сборе статистики сетевого трафика или информации
  о неисправности сети, благодаря которой мы можем перенастроить сеть или оптимально развить инфраструктуру оператора,
• связь с соседними доменами для перенаправления совокупного потока для данного класса в домен, в котором клиент является клиентом,
• Согласованная настройка роутеров в домене, заключающаяся в отправке весов
  в алгоритме WFQ для устройств, а также вероятности отклонения пакетов для механизма RED.

Основное различие между двумя архитектурами IntServ и DiffServ [1] заключается в том, что IntServ используется для соединения точка-точка на основе однопотоковых данных. DiffServ обеспечивает значительно большую масштабируемость за счет объединения потоков и дифференциации классов. Статические параметры передачи не предоставляются в DiffServ, что предполагает оптимальное использование ресурсов. В следующей таблице 3 показаны различия между двумя архитектурами, IntServ и DiffServ:

Таблица3

Определены требования QoS IntServ DiffServ. Определенная непредсказуемость уровня QoS, небольшое количество классов трафика с различным приоритетом. Способность реагировать на временные изменения топологии за счет необходимости обновления резервирования, информации об отклонении пакетов (RSVP). Нет возможности контролировать трафик на уровне потоков. Количество хранимой и обрабатываемой информации пропорционально количество потоков Количество хранимой информации, пропорциональное количеству классов трафика (PHB) Нет эквивалента виртуального пути - сложность приема запросов и управления потоками IP. Возможность создания виртуальных путей. Все узлы имеют одинаковую структуру. Простые граничные маршрутизаторы (классификация DSCP) и функции обработки пакетов только на границах Сети QoS, определенные непосредственно для соответствующих услуг. Относительно небольшой набор PHB, качественно определенных. Большие задержки в создании сквозного бронирования. Нет бронирования.

Можно объединить архитектуры IntServ и DiffServ в сетях WAN. В этой ситуации архитектура DiffServ может выполнять задачу магистральной сети, и IntServ в таком случае будет сетью доступа, как показано на рисунке 5 ниже:

Рисунок 5. Соединение архитектур IntServ и DiffServ

Методы гарантирования параметров передачи в IP-сетях.

В Интернете по умолчанию используется метод с максимальными усилиями, то есть каждый пакет обрабатывается наилучшим образом без расстановки приоритетов. Пакеты расположены в линию
с принципом FIFO (первый в первых рядах). Использование FIFO может привести к перегрузке, поэтому качество пакетного обслуживания низкое.
При использовании QoS вы можете использовать один из двух типов управления движением:

• управление потоком,
• противодействие перегрузкам.

Управление потоком и противодействующие перегрузки используются как взаимодополняющие. Управление потоком предназначено для соответствия скорости отправки пакетов с возможностью их обработки. Второй тип контроля, противодействующий перегрузкам, направлен на защиту сети от чрезмерного трафика, который может привести к снижению качества услуг.
Гарантирующие параметры качества передачи также можно разделить на классовые.
и бесклассовый. В классовом подходе трафик классифицируется и делится на классы с определенной пропускной способностью. Кроме того, бесклассовые методы могут использоваться в модели классов. В бесклассовом подходе классификации пакетов не выполняются, механизмы, представленные в этом методе, менее сложны и проще в реализации.

Приоритетная очередь как одно из решений проблемы задержек в технологии VoIP

Рисунок 6. Схема очередности очереди

PQ или приоритетная очередь (очереди с приоритетами) использует четыре очереди
и классифицировать трафик для одного из них. Эти очереди называются high-medium, medium, low to high.
Характерной особенностью PQ является то, что пока имеются какие-либо пакеты
в очереди с более высоким приоритетом маршрутизатор не будет отправлять пакеты, ожидающие в очередях
с более низким приоритетом. Таким способом легко привести к «умирающим» передачам, классифицированным в очереди с более низким приоритетом.
Чтобы добавить приоритеты к соответствующим протоколам в настроенных маршрутизаторах в частной сети (VPN):
R1:
access-list 100 запретить tcp любой любой eq ftp
access-list 100 запретить tcp любой eq ftp-данные любой
access-list 100 allow tcp 10.1.0.0 0.0.255.255 10.2.0.0 0.0.255.255
протокол приоритета 10 протокол ip high udp 53
!
R2:
access-list 100 запретить tcp любой любой eq ftp
access-list 100 запретить tcp любой eq ftp-данные любой
access-list 100 allow tcp 10.1.0.0 0.0.255.255 10.2.0.0 0.0.255.255
протокол приоритета 10 протокол ip high udp 53
!

Благодаря этой расстановке приоритетов передача данных по протоколу UDP имеет самый высокий приоритет в сети, и данные передаются первыми. Это приводит к производительности сети. Переданные данные, которые не включены в список приоритетов, ставятся в очередь до тех пор, пока данные с наивысшим приоритетом не будут переданы, что также может быть вредным для сети. Пакеты с более низким приоритетом ставятся в очередь и до тех пор, пока передаются данные с наивысшим приоритетом, остальные ждут, в результате они могут исчезнуть и данные могут быть потеряны.

Другое решение - CQ, или Custom Queuing - это механизм, аналогичный PQ, но мы можем, во-первых, использовать до 16 очередей, а во-вторых, они очищаются циклически: сначала X байтов из первой очереди, затем Y байтов из вторая очередь и так по всем очередям и с самого начала. Такая конструкция предотвращает смещение менее благоприятных потоков.

Наилучшим решением для определения приоритетов является алгоритм CBWFQ, то есть WFQ на основе классов (WFQ на основе классов). Это мощный механизм, который позволяет объединять множество различных механизмов в одном устройстве на интерфейсе маршрутизатора. Чтобы использовать CBWFQ, вы должны сначала указать или иным образом классифицировать движение, которое будет обрабатываться по-другому - другими словами, разделите его на классы. Cisco IOS предоставляет множество методов классификации - мы можем указать общие протоколы (например, IP, EIGRP, ESP), любой трафик, соответствующий какому-либо типу ACLek (например, только трафик к определенному хосту в порту 80 tcp и т. Д.), И использовать механизм NBAR иди глубже
в дизайне пакета и, например, обнаруживать P2P сети.

Статья подготовлена Павлом Ярошевичем,

источники:

1. Собственное обучение

Загружаемые материалы:

Статья в формате PDF