Модель службы QoS
Эта служба имеет распределенный характер (ее элементы должны быть на всех сетевых устройствах, продвигающих пакеты)
Должны быть и элементы централизованного управления, позволяющие администратору конфигурировать механизмы QoS в устройствах сети.
Архитектура службы QoS включает элементы трех основных типов:
* Средства QoS узла, выполняющие обработку трафика в соответствии с требованиями на качество обслуживания.
* Протоколы QoS-сигнализации для координации работы сетевых элементов по поддержке качества обслуживания «из конца в конец» (end-to-end, e2e)
* Централизованные функции политики управления и учета QoS, позволяющие администраторам сети целенаправленно воздействовать на сетевые элементы для разделения ресурсов сети между различными видами трафика с требуемым уровнем QoS
Средства QoS узла могут включать механизмы двух типов:
Механизмы обслуживания очередей
Механизмы кондиционирования трафика
– Механизм обслуживания очередей — элемент любого устройства, работающего по принципу коммутации пакетов. Эти механизмы работают в любом сетевом устройстве (за исключением повторителей).
Алгоритмы управления очередями
Чаще всего применяют следующие алгоритмы управления очередями:
FIFO (достаточен только для Best effort (с максимальными усилиями).
Приоритетное обслуживание, которое называют также «подавляющим»
Взвешенное обслуживание
1) Традиционный алгоритм fifo
Достоинство — простота реализации и отсутствие необходимости конфигурирования. Недостаток — невозможность дифференцированной обработки пакетов различных потоков.
2) Приоритетное обслуживание (Priority Queuing)
Сначала необходимо решить отдельную задачу - разбить общий входной поток устройства на классы (приоритеты). Применяют — адрес пункта назначения, приоритет, идентификатор приложения и т. д. Признак помещают в поле приоритета. Если же такое поле в пакете не предусмотрено, приходится разрабатывать дополнение к протоколу.
Например, для сети Ethernet был разработан протокол IEEE 802.1 Q/p, в котором вводится специальное трехбитовое поле для приоритета.
Затем пакет помещается в очередь, соответствующую заданному приоритетному классу.
Пример с четырьмя приоритетными очередями: высокий, средний, нормальный и низкий приоритет.
Рис. 7.1. Приоритетное обслуживание
Здесь очереди имеют абсолютный приоритет — пока не обработаны пакеты из очереди более высокого приоритета не производится переход к более низкоприоритетной очереди. . Недостаток: если высока интенсивность высокоприоритетного трафика, обслуживание низкоприоритетного трафика может совсем не производиться.
3) Взвешенные настраиваемые очереди (Weighted Queuing)
Вес класса – процент предоставляемой классу пропускной способности (от полной выходной пропускной способности). Алгоритм для назначения весов называется настраиваемой очередью. Гарантируются некоторые требования к задержкам.
Рис.7.2. Взвешенные настраиваемые очереди
Очереди обслуживаются циклически, и в каждом цикле обслуживания из каждой очереди выбирается такое число байтов, которое соответствует весу этой очереди. Например: цикл = 1 сек., скорость выходного интерфейса = 100 Мбит/с. В каждом цикле из очередей выбираются следующие объемы данных:
1 — 10 Мбит; 2—10 Мбит; 3 — 30 Мбит; 4 — 20 Мбит; ■ 5 — 30 Мбит
Здесь, как и в приоритетном обслуживании, администратор может назначать различные длины очередям. Тем самым появляется возможность отбрасывания пакетов, то есть сглаживания нагрузки.
За) Взвешенное справедливое обслуживание (Weighted Fair Queuing – WFQ).
Это сочетание приоритетного обслуживания со взвешенным.
Существует большое число реализаций WFQ в оборудовании разных производителей. Наиболее распространена следующая схема.
Имеется одна приоритетная очередь, все заявки из которой обслуживаются в первую очередь. Эта очередь предназначена для системных сообщений, сообщений управления сетью и наиболее критичных и требовательных приложений. Предполагается, что обслуживаемый этой очередью трафик имеет невысокую интенсивность (тем самым остается еще и пропускная способность для других очередей). Остальные очереди просматриваются маршрутизатором по алгоритму взвешенного обслуживания. Веса задаются администратором.
Механизм кондиционирования трафика не является обязательным. Его задача — это уменьшение скорости входного потока настолько, чтобы она всегда оставалась меньшей, чем скорость продвижения этого потока в узле.
Этот механизм включает в себя выполнение следующих функций:
• Классификация трафика. Задача — выделить в общем потоке пакеты одного потока.
Для классификации используются все возможные параметры потока: узел назначения, идентификатор приложения, значение приоритета, метка потока и т. д.
• Профилирование потока на основе правил политики (Policing)
Для каждого входного потока имеется его набор параметров QoS — профиль трафика.
Профилирование трафика — это проверка соответствия потока параметрам его профиля. Например, если превышена согласованная скорость, производится отбрасывание или маркировка (для возможности удаления) пакетов. Отбрасывание позволяет снизить интенсивность потока. При маркировке пакеты сохраняются, но снижается качество их обслуживания. Для проверки используется один из алгоритмов, например, алгоритм «дырявого ведра» (Leaky bucket).
• Формирование трафика (Shaping).
Здесь, в основном, стараются сгладить пульсацию трафика, чтобы на выходе поток был более равномерным, чем на входе.
Это уменьшает очереди в последующих устройствах, а также позволяет сделать поток более равномерным (что, например, полезно в голосовых приложениях).
Механизмы профилирования и формирования трафика
Существует несколько популярных алгоритмов, которые рекомендуется применять для профилирования и формирования трафика с целью обеспечения требуемого QoS.
Алгоритм «дырявого ведра» (Leaky bucket) разработан для профилирования пульсирующего трафика. Он позволяет проверить соблюдение трафиком оговоренных (в соглашении об уровне услуг) значений средней скорости и пульсаций. У алгоритма имеются следующие настраиваемые значения:
У алгоритма имеются следующие настраиваемые значения:
период усреднения скорости Т; • средняя скорость, которую трафик не должен превышать на периоде Т (скорость, согласованная с провайдером);
• объем пульсации Вс, соответствующий средней скорости и периоду Т; •допустимое превышение объема пульсации Ве. Предполагается, что трафик контролируется каждые Т секунд.
Трафик должен иметь среднюю скорость не выше оговоренной скорости средней скорости.
Превышение объемом пульсации оговоренного значения Вс на величину Ве считается мягким нарушением. Пакеты-нарушители помечаются специальным признаком, но не удаляются.
При превышении объемом пульсации величины Вс + Ве пакеты отбрасываются. Но, фактически, предпринимаемые при этом действия являются настраиваемым параметром.
Алгоритм использует счетчик поступивших от пользователя байтов. Каждые Т секунд счетчик уменьшается на величину Вс (или сбрасывается в 0, если его значение меньше Вс). Это иллюстрируется обычно ведром, из которого дискретно каждые Т секунд вытекает объем накопленного трафика.
Алгоритм «Leaky bucket»
Все кадры, которые находятся в объеме, не превышающем Вс, пропускаются в сеть со значением признака DE=0 (нормальная доставка). Кадры, находящиеся в промежутке (Вс) ÷ (Вс + Ве), тоже передаются в сеть, но с признаком DЕ = 1 (возможность удаления на следующих маршрутизаторах сети). Те кадры, которые находятся за пределами объема (Вс + Ве), отбрасываются маршрутизатором.
Такой вариант алгоритма используется в сети Framу Rе1ау.
Алгоритм «Ведро меток» (Токеn bucket) используется как для профилирования, так и для формирования, т.е. сглаживания трафика. Цель алгоритма — уменьшение неравномерности продвижения пакетов, когда из-за значительной пульсации они сбиваются в плотные группы.
Рис. 10. Алгоритм Токеn bucket
Под меткой (Токеn) понимается абстрактный объект, носитель «порции» информации. Генератор меток периодически направляет очередную метку в «ведро» с ограниченным объемом b байт. Все метки имеют одинаковый объем m байт, а генерация меток происходит с такой скоростью, что ведро заполняется со скоростью r байт в секунду. Скорость r является желательной средней скоростью для формируемого трафика.
Пакеты поступают в систему и попадают в очередь объемом К байт. Из очереди пакет продвигается сервером только в том случае, когда к этому моменту «ведро» наполнено до уровня М байт, где М -объем пакета. Пакет в этом случае продвигается вперед, а из «ведра» удаляется объем в М байт. Таким образом, достигается улучшение трафика. Даже если приходит большое число пакетов, из очереди они выходят равномерно и в темпе, задаваемом генератором меток. То есть, поток меток это идеальный трафик, к форме которого стараются привести входной трафик.
Расчет длительности выходной пачки.
S – длительность пачки/с;
C – емкость маркерного ведра/байт;
ρ – скорость появления маркеров, байт/с;
M – максимальная выходная скорость, байт/с.
Максимальное количество переданных байтов в пачке будет равно (С+ ρ S)
М S – количество байтов, переданных в пачке с максимальной скоростью.
С+ ρ S= М S, отсюда
S= С/(М – ρ)
Протоколы сигнализации QoS используются для обмена служебной информацией, необходимой для обеспечения QoS (резервирование вдоль маршрута требуемой пропускной способности, использование маркировки пакетов признаком, указывающим на требуемое качество обслуживания).
Политики QoS. Службы QoS, в которых используют централизованные службы поддержки политики, называются службами, основанными на политике (Policy based QoS).
Правила политики применяются не только для управления QoS, но и для координации выполнения сетевыми устройствами других функций, например, функций защиты трафика. Централизованная служба политики сети обычно базируется на общей справочной службе сети (Directory Service), хранящей все учетные данные о пользователях (имя, пароль,...). В последнее время ее функции расширены — добавлено хранение самых разных данных о сети, в том числе и данных о политике QoS, политике безопасности и т. д.
Протокол RSVP
Чтобы сеть могла предоставлять гарантии качества обслуживания, нужен специальный механизм, позволяющий работающим на хостах приложениям резервировать ресурсы в Интернете. Таким механизмом является протоколом RSVP (ReSerVation Protocol) – протокол резервирования. Его задача — резервирование пропускной способности линий и буферов маршрутизаторов. Используя этот протокол, хост от имени приложения запрашивает у сети определенный объем пропускной способности. Маршрутизаторы с помощью протокола RSVP пересылают запросы на резервирование ресурсов. Два свойства протокола RSVP:
он может резервировать пропускную способность в деревьях групповой рассылки
резервирование инициируется и управляется получателем потока данных.
Однако протокол RSVP не определяет, каким образом сеть предоставляет зарезервированную пропускную способность. Этим занимаются маршрутизаторы (используя механизмы планирования — приоритетное обслуживание, взвешенная справедливая очередь и т. д.). RSVP не определяет также и те линии, на которых должна быть зарезервирована пропускная способность. Это тоже дело маршрутизаторов.
Рассмотрим пример групповой рассылки (Рис.11).
Рис. 7.4. Пример резервирования при групповой рассылке
Имеется источник, передающий в Интернет видео о спортивном соревновании. Видеоданные передаются с разными уровнями качества — 20, 100, 3000 Кбит/с. Каждый получатель посылает вверх по дереву групповой рассылки запрос на резервирование ресурсов. В нем указывается требуемая скорость.
Запрос обрабатывается планировщиком узла, а затем пересылается вверх по дереву. Пользователи, подключенные к узлу D, резервируют ЗМбит/с. Маршрутизатор D по линии D-В посылает запрос на резервирование маршрутизатору В (т.е. здесь объединяются запросы от RЗ и R4 — суммарная пропускная способность - 3 Мбит/с).
Аналогично, на узле С резервируется пропускные способности 20 и 100 Кбит/с от R1 и R2. Узел С обрабатывает запрос и пересылает его в узел D (запрос на 100 Мбит/с). Здесь поток 20 Кбит/с включают в поток 100 Кбит/с.
Узел В обрабатывает запросы и по линии В-А передает на узел А запрос на резервирование 3 Мбит/с (100 Кбит/с включается внутрь этого потока).
Другой пример — проведение видеоконференции.
Положим, что в видеоконференции участвуют 4 собеседника, каждый из которых открывает на экране 3 окна.
Каждый из пользователей хочет получать от своих собеседников высококачественный поток 3 Мбит/с. Таким образом, надо резервировать пропускную способность:
– 3 Мбит/с — от пользователя
– 9 Мбит/с — к пользователю.
Объединить потоки (как в предыдущем примере) здесь нельзя.
Рис. 7.5. Проведение видеоконференции
Реализация резервирования
Резервирование на маршрутизаторах и узлах реализуется в форме так называемого неустойчивого состояния.
С каждым запросом на резервирование на маршрутизаторе связывается таймер. Когда указанный интервал времени истекает, резервирование отменяется и ресурсы освобождаются.
Если получатель хочет продлить резервирование, он должен периодически повторять запросы.
Ограничение
Маршрутизатор, получив запрос, проверяет его на допустимость — имеются ли требуемые пропускные способности. Если таковых нет — запрос отвергается.
Стандарт на протокол
Протокол RSVP описан в документе RFC 2205. Он работает на уровне выше протоколов IP и UDP (т.е. уже на прикладном уровне).
Возможность подтверждения
Получатель может включать в запрос на резервирование RESV еще запрос на подтверждение этого резервирования. При успешном резервировании он получает подтверждение RESV Conf.