6.Особенности контроля качества связи QoS в сетях коммутации пакетов

Эволюционная модель развития сетей связи, которая признается наиболее перспективной на сегодняшний день, предусматривает продолжительное совместное функционирование классических телефонных сетей общего пользования и сетей коммутации пакетов, ресурсы которых могут быть интегрированы. В сети Internet поддержи­вается только негарантированная доставка данных.

Вопросами обеспечения заданного ка­чества услуг QoS (Quality of Service) в IP-сетях занимаются международные организации в области стандартиза­ции телекоммуникаций. В настоящее время модели QoS разработаны следу­ющими организациями и форумами: Сектор стандартизации телеком­муникаций Международного союза электросвязи (ITU-T, МСЭ-Т); Европейский институт по стандартизации телекоммуникаций (ETSI); Инженерная группа поддержки Интернета (Internet Engineering Task Force— IETF); Форум по мультимедийным ком­муникациям (Multimedia Communi­cations Forum — MMCF); Европейский институт по иссле­дованиям и стратегическому планированию в телекоммуникациях (Europe­ an Institute for Research and Strategic Studies in Telecommunications EURESCOM). Однако ни од­на из разработанных моделей оценки качества услуг в сетях IP-телефонии не может считаться в полной мере универ­сальной.

Качеством обслуживания QoS называют способность сети предос­тавлять улучшенное обслуживание определенным видам сетевого трафика при помощи таких технологий как Frame Relay, ATM, сети Ethernet и 802.1, SDH, а также сети с IP-маршрутизацией, где могут применяться лю­бые из указанных технологий. В Рекомендации Е.800 МСЭ-Т дается определение: «Качество обслуживания (Quality of Service, QoS) — это общий эффект рабочих характеристик службы, который определяет степень удовлетворенности пользователя этой службой».

Программ­ное обеспечение QoS предоставляет следующие возможности: управление ресурсами и контроль использования ресурсов (полосы пропускания, оборудования, глобальных каналов); эффективное использование сетевых ресурсов и обслуживание в первую очередь трафика, наиболее важного с коммер­ческой точки зрения; вводить обслуживание по заказу, что позволяет провайдерам Internet и IP-сетей предложить своим клиентам гибкую шкалу услуг; гарантировать мультимедийным при­ложениям и приложениям для обработки звука нужную полосу пропускания и минимальные задержки, а также соответствующее качество обслуживания других приложений, использующих этот канал, не мешая прохождению важ­ного трафика. Методы поддержки QoS в пакетных сетях и IP-сетях уже существуют, они сохраняют невысокую часть стоимости инфра­структуры сетевых магистралей.

Абонента интересуют те аспекты качест­ва услуги, которые он может реально оценить, поэтому выделены три ключевых параметра:

задержка;

ва­риация задержки;

вероятность потери информации.

Ранее в рекомендациях МСЭ-Т присутствовал принцип равен­ства всех абонентов в отношении QoS. В настоящее время предложены четыре класса QoS (табл.6.1), которые различаются по: коэффициенту потери обязательных кадров (FLRc); времени переноса кадра (FTD); дрожанию времени переноса кадра (FDJ).

Механизмы QoS должны обеспечи­вать реализацию таких функций: управление ресурсами сети, то есть управление полосой пропускания и сетевыми устройствами;

возможность работы в глобальной сети;

эффективное использование сете­вых ресурсов при помощи инстру­ментов менеджмента и тарификации для регулирования трафика; управление и контроль параметров QoS, позволяющие обеспечи­вать клиентам различные уровни обслуживания; эффективное использование ресурсов сети для различных приложений, критичных к используемым ресурсам.

Для предоставления услуг IP-телефонии необходимо обес­печивать контроль и управление качеством обслуживания на границе местной сети, на границе ма­гистральной сети и в магистралях се­тей. Причем на каждом из этих участ­ков могут быть задействованы раз­личные механизмы QoS. Основ­ная задача магистральной сети - максимально быстрая передача дан­ных (в соответствии с их классом) и предотвращение перегрузок. На пограничные устройства возлагаются задачи классификации трафика и четкого выполнения пра­вил его обработки (policing). Организация службы QoS предполагает создание единого сетевого механизма управле­ния правилами назначения приорите­тов и распределения сетевых ресурсов.

Способность сети обеспечивать различные уровни обслуживания, запрашиваемые разными сетевыми приложениями, наряду с контролем характеристик производительности (полосой пропускания, задержкой/дрожанием и потерей паке­тов) обычно классифицируется по трем категориям: негарантированная доставка данных (best-effort service); дифференцированное обслуживание (differentiated service); гарантированное обслуживание (guaranteed service). Негарантированная доставка данных не является частью QoS из-за отсутствия гарантии качества обслуживания и гарантии обеспе­чения доставки пакетов. Она предусматривает отбрасывание пакета только в случае переполнения буфера входной или выходной очереди маршрутизатора.

Таблица 6.1 - Определение классов обслуживания

Класс обслуживания	Обеспечение в сети	Коэффици-ент потери обязатель-ных кадров, FLRc	Время переноса кадра, FTD	Дрожание времени переноса кадра, FDJ
0	Обязательно; Безусловный (по умолчанию) класс	Верхний предел не устанавливается	Верхний предел не устанавливается	Не применяется
1	Обязательно	Среднее значение – не более 1 10-3; для 95% 15-ти минутных интервалов - не более 3 10-3	Не более 400 мс (для 95% кадров)	Не более 52 мс (для 95% кадров)
2	Факультативно	Среднее значение – не более 3 10-5; для 95% 15-ти минутных интервалов - не более 1 10-4	Не более 400 мс (для 95% кадров)	Не более 52 мс (для 95% кадров)
3	Факультативно		Не более 150 мс (для 95% кадров)

Дифференцирование обслуживание, называемое мягким QoS (soft QoS) или обслуживанием по схеме CoS, предполагает разделение трафика на классы, каждый из которых имеет свой приоритет. В схеме CoS каждый класс трафика дифференцируется и обрабатывается сетью в соответствии с заданными для этого класса механизмами QoS.

Само по себе дифференцированное обслуживание не предполагает обеспечения гарантий предоставляемых услуг. Его удобно применять в сетях с интенсивным трафиком, когда важно обеспечить отделение администра­тивного трафика сети от всего остального трафика и назначить ему приоритет, позволяющий быть уверенным в связности узлов сети.

Гарантированное обслужива­ние, называемое жестким QoS (hard QoS), предполагает предварительное резервирование сетевых ресурсов с целью удовлетворения специфических требований к обслуживанию со стороны потоков трафика. Так, приложениям Intenet-телефонии понадобится канал передачи информации с пропускной способностью как ми­нимум 8 Кбит/с и со значением задержки подтверждения приема, равным 100 мс. Гарантированного обслуживания требуют муль­тимедий-ные приложения, проводящие передачу речевой информации и видео­изображений. Чтобы удовлетворить подобные требования к гарантированному обслужи­ванию, сеть должна обладать запасом ресурсов.

Протокол IP имеет средства задания приоритетов для се­тевого трафика. Каждый IP-пакет имеет поле "тип сервиса" (Type of Service — ToS), состо­ящее в свою очередь из двух частей, ис­пользуемых для установления уровня приоритет­ности пакета и для определения класса (типа) обслужи­вания, предпочтительного для данно­го пакета. Первая часть поля ToS позволяет устанавливать для IP-трафика те же восемь уровней приоритета, что и специфи­кации технологий Ethernet (802.1Q, 802.1р). Поэтому можно одно­значно отображать информацию о приоритетах кадров Ethernet и пакетов IP, реализуя сквозную обработку приоритетного трафика, передаваемого из одной сети Ethernet в другую через распределенную сеть IP или инфраструктуру поставщика услуг сети Internet. Другая часть поля ToS позволяет ад­министратору сети осуществлять ин­дивидуальную маршрутизацию каж­дого пакета в соответствии с особен­ностями содержащихся в нем данных. Сетевые администраторы, управля­ющие сложными сетями с множест­вом маршрутов, могут использовать биты определения типа обслуживания в сочетании с протоколами маршрути­зации для создания специальных служб мар­шрутизации. Например, пакеты уров­ня обслуживания low latency ("низкая задержка") можно посылать не по спутниковому каналу, а по высоко­скоростной волоконно-оптической линии, тогда как "неприхотливый" трафик (класс low cost) можно напра­вить по сети Internet, а не через сеть на основе выделенных каналов связи. Комбинируя значения функций "тип обслуживания" и "приоритет" в поле ToS, можно задавать режимы обработки пакетов с конкрет­ными типами данных. Главной задачей под­хода diffserv является определение и соответствующая маркировка стандартизированного байта дифференцированной услуги (DS) в байте типа обслуживания ToS из заголовка пакета IP Version 4 и байта класса трафика (Traffic Class) пакета IP Ver­sion 6. От этого зависит принятие решения о продвижении пакета данных на каждом промежуточном узле (per-hop behavior — РНВ). Существуют две стандартные РНВ - политики: немедленной пере­дачи (EF РНВ); гарантированной доставки (AF РНВ).

Важной особенностью под­хода diffserv является следующее. Уровень потери трафика на сетевом узле определяется используемой РНВ – политикой, которая должна быть применена к пакету на основе хранящегося в нем значения поля кода дифференциро­ванной услуги. Кроме того, пограничные узлы выполняют важ­ную функцию формирования поступающего трафика. Формирование трафика включает в себя классификацию пакетов и ограничение трафика, и обычно выносится на входной интерфейс поступающих пакетов. Формирование играет решающую роль в управлении посту­пающим трафиком, поскольку в этом случае для каждого пакета сеть может определить соответствующую ему РНВ - политику.

Параметры качест­ва пре­доставление услуги IP-телефонии должны проверяться на соответст­вие нормам РД "Телематические службы" (РД 45.129-2000), которые представлены в таблице 6.2. Опера­тор связи вправе выбрать класс качества обслуживания, но измеренные характеристики качества IP-телефонии должны быть не хуже заданных характеристик. Эффективность управления потоками трафика телефонии зависит от точности и своевременности оценки качества обслуживания вызовов по направлениям связи. Целью измерения интенсивности телефонной нагрузки и наблюдения за использованием компонентов сети является формирование данных, на основании анализа которых могут активизироваться различные методы оперативного управления системой коммутации для защиты от перегрузок, а также формирование данных для проектирования сети и долгосрочного планирования работы систем коммутации.

Таблица 6.2 -Классы качества обслуживания при передаче речевой информации (РД 45 129-2000)

Показатели	Значение показателей
	Высший	Высокий	Средний	Приемлемый
Задержка при установлении соединения, с	0-1	1-3	3-5	5-20
Задержка передачи пакета, мс	0-100	0-100	100-150	150-400
Вариация времени переноса пакета в мс, не более	10	20	150	Не нормируется
Коэффициент потери пакетов, %, не более	0,5	1	1	Не нормируется

Оценить качество передачи речи по IP-сети можно по формуле:

R = 94,3 –Id –Ie, (6.1)

где Id –фактор задержки; Ie – фактор оборудования.

Известно, что при потерях 1-2% пакетов и задержках более 150 мс ка­чество речи в IP-канале с низкоскоро­стными кодеками падает ниже порога R=70.