Мультисервисные сети2

По причине роста трафика, значения i(PQ), i(AQ) и i(BQ) изменяются через какое-то время. Поэтому выходные скорости этих очередей должны регулярно устанавливаться (например, еженедельно). Но необходимо отметить, что корректировка скоростей влияет только на производительность трафика, проходящего через определенный интерфейс. По сравнению с инжинирингом трафика, регулирование скорости очереди (и другие схемы управления трафиком) может рассматриваться как микроуправление.

Из трафик-контракта в SLA, выходная скорость очереди, и другие требования, такие как максимально допустимая задержка в очереди, размер очереди тогда могут быть определены следующим образом:

размер очереди = выходная скорость очередимакс. допустимая задержка в очереди. (6.3)

Используя описанный выше подход, фактор выделения дополнительных ресурсов PQ, то есть отношение выходной скорости к входной скорости, обычно намного больше единицы (это также зависит от соотношения между видами трафика Premium, Assured и Best effort). Это достаточно для гарантирования того, что очередь PQ пустая или, по большей части времени, очень короткая. Поэтому, задержка и джиттер Premium трафика будут достаточно малыми. Для исследования эффекта фактора выделения дополнительных ресурсов на задержку и джиттер было проведено моделирование, подтвердившее законность рассмотренного подхода. Мониторинг работы сетей также подтверждает это.

Другая альтернатива заключается в использовании приоритетной очереди для Premium трафика. То есть, Premium трафик будет всегда передаваться в первую очередь. Фактически, это может быть более эффективным для отличия Premium обслуживания от других видов обслуживания. Однако должна проявляться осторожность для гарантии того, что Premium трафик не будет подавлять другой трафик.

В рассматриваемом подходе организация очередей и планирование являются эффективными механизмами гарантирования предпочтительной обработки высокоприоритетного трафика. Важно также предотвратить влияние перегрузок низкоприоритетного трафика, если таковые вообще имеются, на работу высокоприоритетного трафика. Это полезно, когда пропускная способность сети становится недостаточной для выдвигаемых к ней требований по причине обрыва волокна или другого отказа оборудования.

Шаг пятый: внедрение других схем управления трафиком. В

данном разделе мы исследуем применимость Policing, Shaping и слу-

чайного раннего обнаружения (Random Early Detection, RED).

Policing и Shaping. Когда клиент подписывается на сетевое обслуживание, он заключает соглашение об уровне обслуживания (Service

Level Agreement, SLA) со своим NSP. SLA определяет величину трафика (если надо, то для каждого класса), который пользователь может отправить/принять. Часто люди думают, что это означает то, что NSP всегда будет выполнять Policing и Shaping. Так ли это, зависит от выделения дополнительных ресурсов на сети, что в свою очередь определяется применяемой биллинговой моделью.

Всети доступа, где применяется биллинговая модель фиксированных тарифов, сеть обычно перегружена. Поэтому, Policing и Shaping полезны для гарантирования того, что никакой клиент не может занимать больше пропускной способности, чем оговорено. Параметры Policing/Shaping в этом случае обычно довольно статичны. Однако Policing и Shaping могут оказывать влияние на работу устройств доступа. В таком случае есть альтернатива – агрегировать трафик от многих клиентов и следить/ограничивать его совместно. Трафик отдельного клиента подвергается слежению/ограничению только если он причиняет проблемы по отношению к другим.

При биллинге, основанном на полосе пропускания или на объеме переданных данных, NSP может повысить свои доходы, если клиенты будут принимать/посылать трафика больше, чем определено в SLA, нет необходимости в слежении или ограничении пользовательского трафика (но калькуляция все равно всегда будет производиться), если клиент не доставляет проблем другим.

Для этих двух биллинговых моделей величина трафика, указанная

вSLA используется главным образом в целях сетевого планирования.

Внекоторых случаях клиент может запросить установление порога денежных средств, которые он платит за использование пропускной способности. В этом случае, NSP может потребоваться выполнять слежение и ограничение.

RED/WRED. RED – это схема организации буферизации данных,

разработанная для предотвращения потерь, вызванных всплесками трафика. Магистральные маршрутизаторы обычно могут буферизировать трафик до 100 мс на порт. Если всплески трафика длительнее, чем это значение, буфер заполняется и, пришедшие последними, пакеты будут отбрасываться. Такие «хвостовые» потери являются причиной снижения, а позже – увеличения скорости многих TCP потоков одновременно и могут стать причиной колебаний загрузки сети. Предотвращая «хвостовые» потери, RED, как верится, является полезным для улучшения работы сети.

Взвешенное RED (WRED) – это более перспективная схема RED. Она основана на других механизмах, таких как классификация/маркировка/слежение для маркировки пакетов с разными приоритетами потерь. WRED будет затем отбрасывать их с различными вероятностями (которые также зависят от средней длины очереди).

RED/WRED полезны для предотвращения «хвостовых» потерь при кратковременных всплесках. Однако необходимо отметить, что довольно сложно установить научным путем параметры (W)RED (например, различные вероятности потерь при различной длине очереди). Однако рекомендации по установке таких параметров все же должны быть выработаны. Если загрузка магистрали (средняя на периоде 1-5 мин) может поддерживаться на уровне 50% или ниже, должна иметься достаточная пропускная способность для приспособления к кратковременным всплескам чтобы избежать «хвостовых» потерь.

Вообще, инжиниринг трафика является более эффективным в управлении распределением трафика на сети и оказывает большее влияние на работу сети, чем такие схемы управления трафиком, как Policing, Shaping и WRED. Поэтому инжиниринг трафика должен быть внедрен ранее схем управления трафиком.

В нашем подходе Policing, Shaping и WRED являются принудительными механизмами. Они используются только тогда, когда все другие методы, такие как инжиниринг трафика, не смогли предотвратить перегрузку. В таком случае эти схемы обеспечивают предпочтительное обслуживание высокоприоритетного трафика по сравнению с низкоприоритетным.

6.3.5. Эффективность подхода

Исследуем эффективность рассмотренного подхода в отношении:

дифференциации различных классов трафика;

удовлетворения требованиям приложений по задержке и джиттеру.

Дифференциация различных классов трафика. Когда отказывают

канал или маршрутизатор, IGP, MPLS, и BGP необходимо для переконфигурации от секунд до минут. В течение этого периода времени пакеты будут испытывать большую задержку или теряться. Быстрая перемаршрутизация MPLS может защитить Premium трафик на период переконфигурации. Поэтому, сеть более доступна для Premium трафика, чем для Assured трафика. Кроме того, высокое значение отношения выходной скорости к входной скорости для Premium очереди позволяет Premium трафику иметь более низкие задержки и джиттер. Поскольку Assured трафик может использовать в три (или любое другое установленное значение) раза больше ресурсов, чем трафик Best effort, условия для его доставки будут лучше, чем для трафика Best effort, особенно при возникновении отказа и большой загрузке канала. Практически, NSP, который планирует обеспечивать QoS может начать с применения только Premium и Best effort классов. Assured класс может быть добавлен позже, когда в этом возникнет необходимость.

Удовлетворение требований приложений по задержке и джит-

теру. Описанный подход был почти полностью реализован на глобальной IP магистрали оператора Global Crossing. MPLS инжиниринг трафика развернут со второго квартала 1999 г., и оказался весьма эффективным в части удовлетворения требований приложений по задержке и джиттеру. В общем, трансконтинентальная задержка «туда и обратно» в США находится на уровне ниже 80 мс, а джиттер – ниже 2 мс. Это очень хорошие показатели работы сети, намного превосходящие параметры задержек для приложений рекомендации ITU-

TG.114 (табл. 6.7).

Вслучае неисправности узла или канала, инжиниринг трафика автоматически перемаршрутизирует трафик и позволит избежать любых перегрузок. Это может привести к небольшому увеличению задержки для некоторых видов трафика, так как выбирается более длинный путь, но предотвратит потерю пакетов и обеспечит низкий джиттер после восстановления сети.

6.3.6. Выводы

Сегодня Internet не воспринимается как достаточно надежная сеть для передачи трафика реального времени. Но это происходит не из-за недостатка перспективных механизмов, таких как потоковые слежение и ограничение (shaping/policing), а из-за сложности выбора метода обеспечения QoS сети и компромисса между простотой и большей управляемостью. Хороший проект сети, простота, высокая доступность и обеспечение защиты являются ключевыми аспектами обеспечения QoS на магистралях Internet. Хороший проект сети плюс некоторая степень резервирования ресурсов не только делает сеть более отказоустойчивой, но также и предотвращает многие проблемы, связанные с QoS, и устраняет потребность в сложных механизмах, разработанных для их решения. Это делает сеть более простой и увеличивает ее доступность. Три класса трафика (Premium, Assured, и Best effort) достаточны для удовлетворения обозримых потребностей клиентов. Различные классы трафика будут обслуживаться по-разному, особенно при неблагоприятных сетевых условиях. Быстрая перемаршрутизация MPLS или другие механизмы защиты могут использоваться для защиты Premium-трафика при

отказах маршрутизаторов или каналов. При возникновении неисправностей в одной части сети, инжиниринг трафика должен использоваться для перемещения трафика в другую часть сети. DiffServ инжиниринг трафика может использоваться для предотвращения концентрации высокоприоритетного трафика на любом канале, так что высокопроизводительный трафик будет иметь низкую задержку и джиттер, и при необходимости может обрабатываться предпочтительно за счет трафика других классов. Схемы управления трафиком на магистрали, такие как Policing и Shaping должны применяться для микроконтроля и использоваться когда инжиниринг трафика становится недостаточным.

6.4. Механизмы QoS в оптических IP-сетях [4]

6.4.1. Особенности обеспечения QoS в оптических IP-сетях

Распространенность технологии IP в сочетании со значительной полосой частот, предлагаемой технологией плотного оптического волнового/спектрального уплотнения (Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM), прокладывают дорогу для IP-over-DWDM, ста-

новящегося ведущим методом передачи данных на большие рас-

стояния в сетях Internet следующего поколения (Next Generation, NG). DWDM – это технология оптического уплотнения, которая позволяет лучше использовать ресурсы оптического волокна путем одновременной передачи пакетов данных на множестве частот или длин волн. Огромная полоса частот, предоставляемая DWDM, обещает привести к снижению стоимости магистрального сетевого оборудования и упрощению управления полосой частот. Однако, про-

блема обеспечения качества обслуживания (Quality of Service, QoS), гарантированного для некоторых услуг, таких как передача пакетов речи и видео в реальном времени, остается практически нерешенной для оптических магистралей. Проблема обеспечения QoS в оптических DWDM сетях имеет несколько фундаментальных отличий от методов QoS, применяемых в электронных коммутаторах и маршрутизаторах. Главнейшее отличие – это отсутствие концепции очередей пакетов в DWDM устройствах свыше того количества пакетов, которое может быть буферизовано (пока находится в «по-

лете») в оптических линиях задержки (Fiber Delay Line, FDL). FDL –

это длинная оптоволоконная линия, используемая для задержки оптического сигнала на определенный промежуток времени. В качестве альтернативы очередям, оптические сети используют дополнительную передачу сигнальной информации для резервирования полосы частот на предстоящем пути прохождения оптически коммутированных данных.

За последнее десятилетие значительное количество работ было посвящено проблеме обеспечения QoS в не-DWDM IP-сетях. Классический IP предполагает модель с обслуживанием по возможности. В этой модели, сеть распределяет полосу частот между всеми активными пользователями так хорошо, насколько это возможно, но не дает каких-либо явных обязательств по полосе пропускания, задержкам, или подтверждении доставки. Эта модель обслуживания не отвечает требованиям большинства приложений реального времени, которые обычно требуют гарантированного максимального времени задержки при передаче данных через сетевое соединение между двумя конечными точками. Множество улучшений было предложено, чтобы сделать возможным предоставление различных уровней QoS в IP-сетях. Конечным итогом этой работы стали предложенные Рабочей Группой Проектирования Интернет (Internet Engineering Task Force, IETF) архитектуры интегрированного обслуживания (IntServ) и дифференцированного обслуживания (DiffServ). IntServ добивается гарантий QoS путем резервирования ресурсов (полосы частот) на всем пути следования пакетов и осуществления планирования для каждого потока во всех промежуточных коммутаторах или маршрутизаторах. DiffServ, со своей стороны, определяет режим работы на каждом участке маршрута (Per-Hop Behaviors, PHB), что позволяет обеспечивать соответствующие QoS преимущества для различных классов трафика. Так как в конечном итоге Internet трафик будет собран и передан по магистральной сети, то это приводит к необходимости адресовать проблемы QoS и к DWDM сетям. Однако, вышеназванные методы, предложенные для IP-се- тей, трудно применимы в DWDM сетях. В основном, это связано с тем обстоятельством, что эти подходы основаны на модели с промежуточным хранением, которая требует использования буферов для разрешения конфликтов. В настоящее время нет оптических модулей памяти, а использование электронной памяти в оптической коммутации требует оптико-электронного (О/Е) и электро-оптичес- кого (Е/О) преобразований, что ограничивает скорость оптической коммутации. К тому же, коммутаторы, в которых применяются О/Е и Е/О преобразователи, теряют преимущество прозрачности скоростей. Более того, эти преобразователи значительно повышают стоимость оптических коммутаторов. В настоящее время, единственным подходом, предоставляющим возможность буферизации в оптических коммутаторах, является использование FDL. Однако FDL не предоставляют достаточной для буферизации возможности, необходимой классическим методам QoS. В дополнение к FDL, волновая среда обеспечивает дальнейшие возможности для разрешения конфликтов, основанные на доступном числе длин волн и методе их распределения.

шрутизатором по принципу «пакет за пакетом». IP-пакет состоит из заголовка и полезной нагрузки. Заголовок пакета содержит информацию, необходимую для маршрутизации пакета, тогда как полезная нагрузка переносит реальные данные. Будущая и наивысшая цель сетей OPS – это обработка заголовка пакета внутри оптической среды. На текущем уровне технологий это невозможно. Решением этой проблемы является обработка заголовка в электронной среде, с сохранением полезной нагрузки в оптической среде. Основное достоинство OPS – это возможность повысить использование частотного диапазона путем применения статистического уплотнения для распределения полосы частот.

Сети с оптической коммутацией блоков. Сети OBS сочетают достоинства обеих рассмотренных ранее сетей – WR и OPS. Так же, как и в WR сетях, здесь нет нужды в буферизации и электронной обработке данных в промежуточных узлах. В то же время, OBS повышает коэффициент использования сети путем резервирования канала на ограниченный период времени. Основная коммутационная единица в OBS сети – это блок. Блок (burst) – это последовательность пакетов, совместно передающихся от узла входа к исходящему узлу и совместно коммутируемых в промежуточных узлах. Существует несколько подходов к формированию блока; например, техника контей-

неризации с ограниченным временем агрегации (Containerization with Aggregation-Timeout, CAT), предложенная авторами [5]. Блок состоит из двух частей – заголовка и данных. Заголовок, называемый регулирующим блоком (Control Burst, CB), передается отдельно от данных, которые называются блоком данных (Data Burst, DB). СВ, передаваемый первым, резервирует полосу частот вдоль всего пути для соответствующего DB. Затем следует сам DB, который движется по пути, зарезервированном СВ.

Для OBS было предложено несколько сигнальных протоколов [6]. В этом разделе мы объясним принцип действия одного из этих протоколов, название которого может быть дословно переведено как

«только достаточное время» (Just-Enough-Time, JET).

В JET СВ передается первым по каналу управления, а за ним, с временной задержкой, равной времени смещения блока (T0), следует DB по каналу данных. Когда СВ достигает узла, он резервирует полосу частот на исходящем звене на промежуток времени, равный длине блока, и начало этого промежутка совпадает с моментом прибытия DB.

6.4.3. QoS в сетях IP-over-DWDM

Было предложено несколько подходов для осуществления разделения служб в оптических сетях. Ранние подходы предлагали управление «интеллектуальными» (smart) очередями, чтобы обеспечить

гарантии различных вероятностей потери пакетов для различных потоков данных. Примерами этих алгоритмов могут служить пороговое отбрасывание или приоритетное планирование. Тем не менее, в этом разделе в первую очередь рассматриваются методы, использующие уникальные характеристики оптической среды.

QoS в сетях WR. Здесь представлены основные подходы к обеспечению разделения служб в WR сетях. Эти методы расширяют модель

дифференцированных оптических услуг (Differentiated optical Services, DoS), представленную в [7]. Модель DoS принимает во внимание уникальные оптические характеристики световых путей. Световой путь может быть уникально идентифицирован набором оптических параметров,

таких как частота появления ошибок (Bit Error Rate, BER), задержка,

джиттер; и режимов, включающих возможности защиты, контроля и надежности. Эти оптические параметры и режимы предоставляют основу для измерения качества оптических услуг, доступных на заданном пути. Цель этих измерений – определение классов оптических услуг, эквивалентных классам QoS в IP. Структура DoS состоит из шести компонент.

Классы услуг. В DoS класс услуги определяется набором параметров, характеризующих качество и ухудшение оптического сигнала, передаваемого по световому пути. Эти параметры могут определяться или в количественных терминах, таких как задержка, среднее значение BER, джиттер и полоса пропускания, или основываться на функциональных возможностях, таких как контроль, защита, надежность.

Алгоритм маршрутизации и назначения частот. Для того чтобы создать световой путь, предназначенная ему длина волны должна быть зарезервирована вдоль всей трассы прохождения светового пути. Алгоритм, используемый для выбора маршрутов и длин волн при образовании светового пути, известен как алгоритм маршрутизации и назначения длин волн (Routing and Wavelength Assignment, RWA).

Чтобы обеспечить QoS в WR сетях, необходимо использовать RWA алгоритм, который учитывает QoS характеристики различных волновых каналов. Пример такого алгоритма представлен в [8]. Идея, лежащая в его основе – использование адаптивных весовых функций, которые характеризуют свойства различных волновых каналов (например, задержка или емкость).

Группы световых путей. Световые пути в сети классифицируются по группам, которые отражают уникальные свойства оптической передачи, так что каждая группа соответствует услуге DoS.

Классификация трафика. Текущий трафик ассоциируется с одним из классов, поддерживаемых сетью. Внутри сети используется единая классификация.

Алгоритм назначения световых путей. В технической литературе было предложено множество алгоритмов назначения световых путей,