Лекция 3 Трафик разных приложений и технологии обеспечения качества обслуживания

Функциональная схема глобальной сети

Требования пользователей и разработчиков сетей Две точки зрения на разрабатываемую сеть: пользователя и разработчика Пользователь мечтает об отсутствии задержек, бесплатном пользовании услугами сети, устойчивости к ошибкам, легкости в использовании, безопасности и т. д. Разработчик должен помнить, что требования пользователей к сети будут меняться в процессе эксплуатации сети. Одним из основных показателей является характер сетевого трафика.

Две характеристики трафика единица данных и способ упаковки этих единиц. Единицей данных может быть: бит, байт, октет, сообщение, блок. Они упаковываются в файлы, пакеты, кадры, ячейки. Они могут также передаваться без упаковки. В терминах ATM другим именем упакованных данных является PDU (Protocol Data Unit протокольный блок данных). Скорость измеряется в единицах данных за единицу времени. Например, пакеты в секунду, байты в секунду, транзакции в минуту и т. д. Скорость также определяет время, требуемое для передачи единицы данных по сети.

Характеристики сетевого трафика Четыре наиболее общие характеристики трафика: «взрывообразность», терпимость к задержкам, время ответа, емкость и пропускная способность.

1. «Взрывообразность» характеризует частоту посылки трафика пользователем. Этот показатель - отношение максимального (пикового) значения трафика к среднему. Например, если максимальный объем пересылаемых данных в часы пик составляет 100 Мбит/с, а средний объем 10 Мбит/с, показатель «взрывообразности» будет равен Терпимость к задержкам характеризует реакцию приложений на все виды задержек в сети. Например, приложения, обрабатывающие финансовые транзакции в реальном масштабе времени, не допускают задержек. Большие задержки приводят к неправильной работе таких приложений. Приложения сильно различаются по допустимому времени задержки. Есть приложения, работающие в реальном времени (видеоконференции) время задержки должно быть крайне малым. С другой стороны, встречаются приложения, терпимые к задержкам в несколько минут или даже часов (электронная почта и пересылка файлов).

3. Время ответа сервера- складывается из времени распространения сигнала в прямом и обратном(от сервера к источнику запроса) направлении. 4. Емкость сети это реальное количество ресурсов, доступных пользователю на определенном пути передачи данных.Пропускная способность сети определяется общим количеством данных, которые могут быть переданы в единицу времени. Емкость сети отличается от пропускной способности сети из-за наличия накладных расходов, зависящих от способа использования сети.

Характеристики трафика разных приложений

Трафик разных приложений Трафик делят на три категории, отличающиеся друг от друга требованиями к задержке при передаче: Трафик реального времени. К этой категории относятся трафик с аудио- и видеоинформацией, не допускающий задержки при передаче. Задержка обычно не превышает 0,1 с. При этом, из-за требования малой задержки, возникающие ошибки не могут быть исправлены с помощью повторной посылки; Трафик транзакций. Эта категория требует задержки до 1 с. Увеличение этого предельного значения заставляет пользователей прерывать свою работу и ждать ответа, потому что только после получения ответа они могут продолжить отправлять свои данные. В некоторых случаях превышение допустимого времени задержки приведет к сбою рабочей сессии; Трафик данных. Эта категория трафика может работать с любой задержкой, вплоть до нескольких секунд. Особенностью такого трафика является повышенная чувствительность к доступной пропускной способности, но не к задержкам. Увеличение пропускной способности влечет за собой уменьшение времени передачи. Приложения, передающие большие объемы данных, захватывают всю доступную полосу пропускания сети. Редкими исключениями являются приложения потокового видео. Для них важны и пропускная способность и минимизация времени задержки.

Приоритеты и задержки трафика Внутри каждой категории трафики классифицируются по присвоенным им приоритетам. Примером приоритетного трафика может быть транзакция с заказом. Введение приоритетов неизбежно при недостаточности ресурсов сети. Передача аудио- и видеоинформации чувствительна к изменению задержки или, иными словами, к дрожанию. Например, превышение допустимого порога джиттера (дрожания) может привести к достаточно ощутимым искажениям изображений, необходимости дублирования видеокадров и т. д. Передача звука также чувствительна к дрожанию, так как человеку трудно воспринимать неожиданные паузы в речи абонента. В случае передачи низкокачественной аудиоинформации по сети, максимальная задержка сигнала должна находиться в пределах от 100 до 150 мс. В случае передачи изображений этот параметр не должен превышать 30 мс. Так как потоки аудио- и видеоинформации следуют через различные устройства, которые обрабатывают трафик с учетом эффекта дрожания на основе разных алгоритмов, может быть быстро потеряна синхронизация между изображением и голосом (как это бывает в плохих фильмах). С эффектом дрожания можно бороться, применяя буферную память на принимающей стороне, а это приводит как к удорожанию аппаратуры, так и к обратному эффекту увеличению задержки за счет накладных расходов при обработке информации в большом буфере.

Обзор технологий качества обслуживания

Обеспечение перекрывающей пропускной способности Высокоскоростные технологии 10Gigabit Ethernet и ATM, приводят к мысли, что проблемы качества обслуживания можно решить увеличением пропускной способности. Это может быть решением в случаях, если локальной сетью пользуются небольшие рабочие группы. Использование высокоскоростных каналов связи, предоставляемых, например, технологиями Fast/Gigabit Ethernet со скоростями 100/1000 Мбит/с, да еще в сочетании с неблокирующими коммутаторами при низкой загрузке сети, позволяет избежать узких мест в сети и достигнуть низкой задержки и небольшой амплитуды дрожания, причем без ATM. Однако необходим жесткий контроль за распределением трафика. Методы контроля трафика в локальных сетях находятся сейчас в зачаточном состоянии. При неконтролируемой загрузке сети, когда коммутаторы, не справляясь с нагрузкой, начинают попросту отбрасывать пакеты, которые они не в состоянии обработать - при этом конечные станции будут повторять передачу этих пакетов вновь и вновь, что еще больше увеличит трафик. В такой ситуации передача аудио- и видеоинформации по сети невозможна. Если рассматривать магистральные сети, то подключение к ним локальных сетей с полной анархией в управлении трафиком может привести к недостатку резервов высокоскоростных технологий для передачи приоритетного трафика. Так что и для магистральных сетей необходима классификация трафика и механизм QoS. Сети, работающие на максимуме своей пропускной способности (но не на пределе), часто не имеют механизмов разрешения конфликтных ситуаций. Установка новых приложений или незапланированная концентрация пользователей в части сети может привести к кризису сети. Так что простого увеличения пропускной способности явно недостаточно.

Приоритетные очереди в маршрутизаторах

Передача данных с очередями Метод приоритетных очередей часто используется для предоставления временных гарантий чувствительным к задержкам приложениям. Метод применяется для передачи аудио- и видеоинформации, когда не требуется высокое качество. На данный метод не существует единого стандарта. Каждый производитель реализует в своих изделиях собственные алгоритмы обработки очередей. Например, Cisco Systems использует алгоритм взвешенной справедливой очереди с ранним обнаружением ошибок, а Bay Networks очередь, основанную на классах. Если маршрутизатор получает пакеты быстрее, чем он может отправить их через данный порт, он помещает пакеты в очередь. Затем они отправляются в порядке поступления, то есть реализуется принцип «первым пришел, первым ушел» FIFO (First In, First Out). Такой алгоритм эффективен, но не оптимален. Случайное раннее обнаружение (Random Early Detection, RED) позволяет смягчить эффект от потери пакетов даже при очень больших нагрузках. Такая очередь по-прежнему использует принцип FIFO, но пакеты отбрасываются случайным образом (вместо того, чтобы отбрасывать сообщения из конца очереди), когда средняя длина очереди за данный промежуток времени превосходит установленное значение. Этим достигается оптимизация заполнения очереди. Алгоритм применим к трафику любого протокола, когда сеть не гарантирует доставки.

Передача данных с очередями (2) Очередь с приоритетами это алгоритм, при котором несколько очередей FIFO или RED образуют одну очередь. Трафик распределяется между этими очередями в соответствии с заданными критериями. При этом трафик отправляется в порядке строгой очередности: первым трафик с высоким приоритетом, вторым со средним и т. д. Очереди на основе классов (Class-Based Queuing, CBQ) это алгоритм, при котором трафик делится на несколько классов. Каждый класс имеет собственную очередь и ему выделяется некоторая часть пропускной способности канала. Взвешенная справедливая очередь (Weighted Fair Queuing, WFQ) частный случай CBQ, когда классам соответствуют независимые потоки. Каждому классу соответствует одна очередь FIFO и ей отводится некоторая часть пропускной способности канала. При этом происходит перераспределение пропускной способности между потоками. Выделение дополнительной пропускной способности для больших потоков позволяет уменьшить задержку при их обработке.

Протокол резервирования ресурсов В протоколе резервирования ресурсов RSVP (Resource Reservation Protocol) заложены три понятия: сеанс, спецификация потока и спецификация фильтра. Сеанс это период обработки потока данных. Сеанс начинается с выделения ресурсов, необходимых для пропуска потока, и заканчивается после прохождения потока. Запрос на резервирование ресурсов от получателя называется описанием протокола и состоит из спецификации потока и фильтра. Спецификацию потока определяют параметры услуг, которые необходимо зарезервировать, чтобы поток мог пройти через данный узел без потери качества. Спецификация фильтра определяет набор пакетов, под которые запрашиваются ресурсы. Любые другие пакеты обрабатываются по остаточному принципу с предоставлением минимальных услуг, которые сеть может обеспечить в это время. Фильтр может быть настроен на различные параметры: конкретных отправителей, конкретные протоколы, поля заголовков и т. д. Основная сложность протокола RSVP связана с групповой рассылкой. Это связано с тем, что запросы на выделение ресурсов распространяются в обратном направлении по дереву маршрутизации.

Протокол RSVP использует два основных типа сообщений: RESV и PATH Сообщение RESV генерируется получателями и распространяется вверх по дереву маршрутизации. Сообщение передается каждому маршрутизатору на пути потока. Если маршрутизатор не может обеспечить требуемую полосу пропускания, он отвергает запрос. Если может, сообщение передается следующему маршрутизатору. Сообщение RESV приводит к переходу маршрутизатора в состояние резервирования ресурсов для сеанса. Объединенные сообщения RESV достигают отправителя, и на основании полученной информации о зарезервированных ресурсах отправитель задает необходимые параметры потоку до первого маршрутизатора. Сообщение PATH используется для распространения информации об обратном маршруте. Используемый протоколом RSVP протокол маршрутизации не может определить обратный маршрут. Информация об обратном маршруте : любое устройство, желающее стать отправителем, посылает сообщение PATH членам своей группы. При получении этого сообщения маршрутизаторы и члены группы переходят в состояние PATH. В этом состоянии пакеты для данного отправителя должны пересылаться на маршрутизатор, от которого они были получены. Каждый маршрутизатор, получивший сообщение PATH, запоминает идентификатор потока и канал связи, по которому пришло сообщение. Если потенциальный адресат, принявший команду PATH, хочет получить указанные данные, он посылает команду RESV. Эта команда следует по пути PATH, но в обратном направлении.

Пример использования RSVP Можно упрощенно описать данный алгоритм на примере. Предположим, что отправитель, зная всех получателей, хочет показать им видеоклип. Так как адреса известны, он посылает им сообщение PATH. Это сообщение несет информацию о том, что отправитель собирается показать видеоклип членам своей группы. По пути следования к адресатам, сообщение выставляет на маршрутизаторах необходимые для передачи потока параметры. Если какой-либо маршрутизатор не может обеспечить данные параметры, он отвергает сообщение. Это означает, что получатель на таком маршруте не сможет посмотреть видеоклип. После достижения сообщением PATH всех получателей, они анализируют полученную с этим сообщением информацию и отвечают сообщением RESV. Сообщение RESV проходит по маршруту сообщения PATH, но в обратном направлении. Получатели закладывают в сообщения RESV информацию о том, хотят ли они посмотреть клип. Они могут попросить показать другой клип. Некоторые попросят «загрубить картинку», так как имеют плохие каналы связи и т. д. После того как отправитель получил все сообщения RESV, он начинает сеанс с учетом пожеланий каждого получателя. Недостаток протокола RSVP: имеющиеся протоколы маршрутизации не учитывают вопросы качества обслуживания, а запросы RSVP выполняются только после того, как был выбран маршрут передачи данных. Из альтернативных маршрутов протокол маршрутизации может выбрать маршрут, который не оптимален с точки зрения протокола RSVP.

Установление приоритетов в виртуальных сетях Комитетом IEEE 802 разработаны стандарты IEEE 802.1Q и IEEE 802.1р. Эти два стандарта должны обеспечить взаимодействие виртуальных сетей и гарантировать пользователям необходимое качество обслуживания на основе присвоения приоритета. Механизм присвоения приоритета основан на указании приоритета передаваемого кадра (IEEE 802.1р). Новые поля в кадре, которые служат для указания приоритета, регламентированы стандартом IEEE 802.1Q. К кадру Ethernet добавлены 2 байта. Они определяют принадлежность кадра к определенной виртуальной сети и его приоритет. Можно задать до 8 уровней приоритета. Благодаря этому определяется распределение кадров по очередям коммутатора. Этот механизм позволяет без задержек обрабатывать чувствительный к дрожанию трафик. Реализация этих стандартов затруднена: - проблемой является отсутствие механизма контроля действий пользователей по запросу на приоритет. Для избежания перегрузки сети от сетевого администратора требуется контроль за трафиком. Производители, поддерживащие механизмы установления приоритетов в виртуальных сетях, предлагают решение свои фирменные методы контроля.

Качество обслуживания в сетях Frame Relay В отличие от ATM, которая разрабатывалась как интегрированная сеть для передачи разнообразной информации, назначение технологии Frame Relay состояло в обеспечении экономичного обмена цифровыми данными от 2 до 45 Мбит/с. Достоинством технологии является ее «бережливость» сеть не отбрасывает низкоприоритетные пакеты при возникновении перегрузок в сети, а пускает их в обход места затора. Отсюда сразу вытекает и недостаток задержка при передаче пакета может возрастать непредсказуемым образом. Несмотря на, казалось бы, непригодность технологии Frame Relay к передаче голосовой информации, в последнее время интерес к ней резко возрос как раз в этом отношении. Передача такого трафика обеспечивается за счет сокращения времени доставки пакетов с голосовыми данными и переупорядочения очередей в устройствах доступа к сети FR. Форум Frame Relay приступил к разработке стандартов качества обслуживания. Стандартизация позволит предоставить пользователям весь спектр услуг, который может дать Frame Relay, помочь им выбрать требуемый уровень качества обслуживания. Из показателей качества обслуживания основными есть гарантия полосы пропускания, малая задержка, предотвращение потерь пакетов и обеспечение услуг за счет остающейся полосы пропускания (то есть по мере сокращения доступной полосы пропускания уменьшается и объем предоставляемых услуг).

Качество обслуживания в сетях ATM Технология ATM изначально обеспечивала качество обслуживания, поэтому находит все большее применение в современных сетях. Коммутаторы ATM и сетевые адаптеры предоставляют пользователям доступ к различным классам обслуживания. С появлением пользовательского интерфейса UNI 4.0 появилась возможность прямой установки значения каждого параметра. Для каждого соединения должно заключаться SLA (отдельное соглашение по трафику): Параметры трафика, определяющие поток ячеек отправителя; Качество обслуживания; Проверка пунктов соглашения; Определение и поддержание параметров соединения. Качество обслуживания оценивается, на приемной стороне. Для упрощения запросов на предоставление качества обслуживания установлены классы обслуживания. Параметры, на основании которых определяются классы обслуживания, приведены на следующем слайде. Выделено три параметра, которые согласуются при установлении соединения: Время задержки при передаче ячеек (Cell Transfer Delay CTD) максимальное время передачи ячейки от одного узла к другому. Параметр зависит от задержек при передаче и времени нахождения ячеек в очередях коммутаторов ATM; Вариация задержки (Cell Delay Variation CDV) отражает разницу между максимальным и минимальным временем передачи ячейки между узлами, зависит от числа виртуальных соединений, мультиплексируемых в один физический канал. Кроме того, на нее влияет изменение времени задержки ячеек в очередях коммутаторов; Процент потерянных ячеек (Cell Loss Ratio CLR) зависит от качества конкретного физического канала и алгоритма, заложенного в коммутатор для устранения перегрузок.

Международным союзом электросвязи определены 5 классов служб АТМ

Форум ATM определил 4 класса качества обслуживания и 5 основных служб Первый класс обеспечивает выполнение требований служб класса А, сопоставимые с параметрами цифровых каналов (передача речи или видео с постоянной скоростью); Второй класс обеспечивает выполнение требований служб класса В для мультимедийных приложений и предоставляет произвольную скорость передачи (работает с источниками трафика с изменяющейся скоростью передачи (например, передача подвижных изображений); Третий класс обеспечивает выполнение требований служб класса С для технологий, ориентированных на соединение и работает с источниками с изменяющейся скоростью передачи; Четвертый класс обеспечивает выполнение требований служб класса D для технологий, работающих без установления соединения. На основе этих классов Форум ATM определил пять основных служб передачу с постоянной скоростью (Constant Bit Rate CBR); передачу в реальном времени с переменной скоростью (real-time Variable Bit Rate - rtVBR); передачу с переменной скоростью не в реальном времени (non-real-time Variable Bit Rate - nrtVBR); передачу с неопределенной скоростью (Unspecified Bit Rate UBR); передачу с доступной скоростью (Available Bit Rate ABR).

Рекомендации В локальной сети для подключения компьютеров к портам коммутатора можно использовать Ethernet со скоростями 100/1000 Мбит/с, что устраняет борьбу за пропускную способность и позволяет осуществлять полнодуплексную передачу данных дешевле, чем ATM. Технологию Ethernet не рекомендуется использовать для связи коммутаторов, когда приложения чувствительны к вариациям времени задержки. Хотя в некоторых случаях можно просто повысить пропускную способность, установив каналы Fast или Gigabit Ethernet, это не является универсальным решением, так как последние не могут гарантировать качество обслуживания. Использование коммутируемого Ethernet для доступа к магистрали ATM предполагает использование ATM с качеством обслуживания и протокола RSVP только на границах сети. Приложение запрашивает необходимое качество обслуживания при помощи вызова функции API, например такого, как WinSock 2.0; Сетевое программное обеспечение транслирует запрос приложения в запрос протокола RSVP, который передается к коммутатору рабочей группы; Коммутатор, имеющий порт для подключения к магистрали ATM, переводит запрос протокола RSVP в соответствующее качество обслуживания ATM. Несмотря на кажущуюся сложность выбора технологии качества обслуживания, можно все возможные случаи можно сгруппировать в три группы-(слайд 20).

Выбор технологии качества обслуживания