Ю.Ф.Кожанов, Колбанев М.О ИНТЕРФЕЙСЫ И ПРОТОКОЛЫ СЕТЕЙ СЛЕДУЮЩЕГО ПОКОЛЕНИЯ

______________________________________________________________________________

2.2.Понятие о качестве обслуживания

2.2.1. Параметры качества обслуживания

При передаче речи по IP-сети возникают следующие проблемы.

• Постоянные задержки прохождения сигналов от передатчика до приемника. Задержки в любых сетях связи существуют всегда. Абоненты не ощущают

задержек и общаются в реальном масштабе времени, если суммарная задержка “из конца в конец” не превышает 150 мс. Оценка влияния задержек на качество обслуживания приведено в Рекомендации ITU-T G.114 (табл. 2.6).

Задержки, во-первых, возникают при формировании пакета. В цифровых сетях интегрального обслуживания с коммутацией каналов (ЦСИО) каждый фрагмент речи длительностью 125 мкс преобразуется в 8 бит (байт) и сразу же передается в заранее установленный канал связи. В сети с коммутацией пакетов (СКП) несколько байтов собираются в один пакет, иногда подвергаются анализу для устранения избыточности (сжимаются до меньшего значения), обрамляются заголовком и хвостовиком и только потом передаются. В результате такой сложной процедуры время формирования пакета tcod принимает значение от 10 до 37,5 мс. Некоторое время tdec (до 7.5 мс) требуется на приеме для обратных операций.

Во-вторых, имеются задержки переприема (serialization), связанные с тем, что для определения маршрута следования поступившего пакета маршрутизатору необходимо прочитать адресную часть пакета, а для этого необходимо принять весь пакет, или, по крайней мере, его заголовок. Следует отметить, что при наличии очереди задержка переприема определяется полосой передачи bw, занимающей часть скорости передачи по каналу связи VEL. Поэтому маршрутизатору для приема пакета длиной LEN байт от приложения, которому выделена полоса передачи bw Кбит/с, может потребоваться время 8*LEN/bw мс. Например, для передачи пакета речи с использованием Рекомендации G.711 (LEN=238 байт, bw=95.2 Кбит/с) время переприема на одном маршрутизаторе может составить 20 миллисекунд. Поэтому для снижения задержки переприема коммутация в современных маршрутизаторах осуществляется сразу же после приема заголовка пакета.

В-третьих, при перегрузке на сети маршрутизаторы устанавливают поступающие пакеты в выходную очередь. При большой интенсивности трафика создается дополнительная задержка tr из-за прохождения очереди на передачу.

В-четвертых, задержки возникают из-за конечного времени распространения сигнала (примерно 6 микросекунд на километр), которое имеет небольшое значение на коротких линиях, за исключением спутниковых каналов связи, где задержка может достигать до 400 мс.

• Потеря пакетов.

Впроцессе прохождения пакета по сети связи он может быть

–искажен из-за влияния помех;

–доставлен не по адресу из-за сбоя в программном обеспечении или в канале;

–утерян по вышеназванным причинам.

Потеря пакета приводит к различным последствиям в зависимости от способа преобразования аналогового сигнала, причем наиболее катастрофические последствия

94

Глава 2 ПРОТОКОЛЫ МУЛЬТИМЕДИЙНЫХ ПРИЛОЖЕНИЙ

______________________________________________________________________________

наступают для пакетов, подвергшихся сжатию. Рекомендация ITU-T G.114 нормирует долю потерянных пакетов на уровне не более 5%.

• Вариация задержки (джиттер).

Дополнительные задержки возникают при прохождении систем коммутации. В системе с коммутацией каналов (ЦСИО) задержка возникает в каждом узле коммутации из-за перестановки входного временного интервала на более позднее значение на выходе узла и имеет постоянное значение (не более 125 мкс на ступень искания) на все время установления соединения. Суммарная постоянная задержка (“из конца в конец”) даже при большом количестве транзитных узлов легко укладывается в требуемую норму tsum=150 мс.

В системе коммутации пакетов (СКП) коммутацию выполняют маршрутизаторы, которые коммутируют поступающие пакеты в порядке их поступления и с учетом приоритета. Случайный процесс поступления пакетов от разных источников приводит к тому, что даже регулярный порядок поступающих на вход пакетов от одного источника, на выходе маршрутизатора нарушается. Это приводит к тому, что в отличие от ЦСИО в СКП возникают дополнительные задержки переменной величины. Для компенсации переменной сетевой задержки приемники пакетов хоста всегда оснащаются сглаживающим буфером, аналогично эластичной памяти в узлах ЦСИО. Поступающие пакеты записываются в момент их приема в очередную ячейку памяти буфера, а считывание пакетов происходит с некоторой постоянной задержкой tbuf (со смещением номеров ячеек), определяемой емкостью буфера Buf.

Сеть с коммутацией пакетов Интернет предназначена для обслуживания различных типов услуг (видео, речь, данные). Для реализации каждой услуги необходимо выделить определенный сетевой ресурс – производительность управляющих устройств, полосу передачи канала связи и т.д. Для понимания возникновения дефицита канальных ресурсов рассмотрим типовую схему обслуживания услуг маршрутизатором (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Схема обслуживания вызовов маршрутизатором

Каждая услуга характеризуется своей полосой передачи bw (Band Width) и длиной пакета LEN. Услуга порождает поток пакетов (вызовов). На каждый из N входов (интерфейсов) сетевого маршрутизатора поступает множество пакетов, принадлежащим разным услугам. Каждый пакет может потребовать соединения с одним или несколькими из M выходов (интерфейсов) маршрутизатора. Если в момент поступления пакета имеется свободный требуемый выход, то пакет обслуживается немедленно, в противном случае он обслуживается в порядке очереди. Дефицит канальных ресурсов возникает в моменты времени, когда несколько практически одновременно поступивших пакетов требуют соединения с одним и тем же выходом маршрутизатора, имеющего конечную скорость передачи VEL.

Традиционно в Интернет широко использовался способ распределения ресурсов “с наибольшими усилиями” (Best Effort), заключающийся в принципе “первый пришел

– первый обслужен” (First In – First Out, FIFO). Такой алгоритм обслуживания хорошо работает, если приложения терпимы к задержкам пакетов из-за образования очередей или в случае, если сетевые ресурсы намного превышают потребности поступающих вызовов. Например, если имеются высокопроизводительное управляющее устройство и сверхскоростные каналы связи, то аппаратная задержка и время занятия канала связи для передачи пакета ничтожно и очереди в маршрутизаторе не возникают. Такая

95

Ю.Ф.Кожанов, Колбанев М.О ИНТЕРФЕЙСЫ И ПРОТОКОЛЫ СЕТЕЙ СЛЕДУЮЩЕГО ПОКОЛЕНИЯ

______________________________________________________________________________

ситуация показана на рис. 2.3а, когда на один выход (Вых) поступают пакеты от трех входов (Вх.1, Вх.2, Вх.3). Однако, запросы реально поступающих вызовов сопоставимы с возможностями канальных ресурсов, а иногда значительно их превышают. На рис. 2.3б показана та же ситуация при использовании каналов связи с малой скоростью.

б)

Рис. 2.3. Диаграмма обслуживания пакетов алгоритмом FIFO на а) высокоскоростных и б) низкоскоростных каналах

Видно, что использование низкоскоростных каналов приводит к значительному джиттеру всех потоков, что совершенно неприемлемо для таких приложений, как передача речи. Следовательно, проблема состоит в том, чтобы создать такой порядок обслуживания потоков, чтобы приложения, чувствительные к задержкам, имели большую пропускную способность за счет снижения пропускной способности других приложений, терпимых к задержкам. Это достигается введением специальных механизмов: механизма дозирования и выравнивания трафика; механизма предотвращения перегрузки сети; механизма обслуживания очередей на основе приоритетов.

2.2.2. Дозирование и выравнивание трафика

Для устойчивой работы сети в каждом маршрутизаторе используются механизмы дозирования и выравнивания трафика (Traffic Shaping). Под дозированием понимается ограничение интенсивности входящего и/или исходящего потока пакетов из узла, а под выравниванием – их равномерное распределение во времени. Эти же механизмы используется в каждом пограничном маршрутизаторе для проверки соответствия интенсивности поступающих пакетов заданному профилю (согласованному значению). Дозатор и выравниватель трафика используют одну и ту же схему – “корзина маркеров” (token bucket). Схема “корзина маркеров” функционирует следующим образом (рис. 2.4).

Каждому интерфейсу ставится в соответствие три параметра: согласованная (средняя) скорость передачи (Committed Information Rate – r, байт/с), размер буфера корзины маркеров b (байт), размер буфера очереди B (байт). Их конфигурирование в маршрутизаторе задается командой rate limit input/output r b B. Генератор маркеров периодически с интервалом времени T0=b/r пополняет корзину b маркерами (байтами). На вход дозатора/выравнивателя в буфер очереди емкостью В байт поступают пакеты со скоростью Bin байт в секунду. Если число маркеров в корзине равно или превышает длину первого в очереди пакета, то такой пакет передается, и соответствующее число маркеров изымается из корзины. При недостатке маркеров в корзине пакет ожидает в буфере очереди, пока в корзине не накопится достаточное количество маркеров. При заполнении корзины приток новых маркеров от генератора прекращается (на рис. 2.4 –

96

______________________________________________________________________________

черный маркер), при наличии в буфере очереди B байт вновь поступающие пакеты отбрасываются. Механизм функционирует нормально, если скорость передачи интерфейса превышает согласованную скорость передачи, т.е. при VEL>r.

Рис. 2.4. Схема корзины маркеров

Для того чтобы понять, как соотношение между параметрами корзины маркеров, влияет на обслуживание, рассмотрим временные диаграммы ее функционирования

(рис. 2.5).

Рис. 2.5. Временные диаграммы функционирования корзины маркеров

97