Контроль качества предоставления услуг (SLA) в сетях IPMPLS. Учебное пособие

УДК 621.391

ББК Р75

Рекомендовано к изданию методическим советом ПГУТИ, про-

токол № ___, от ________2017 г.

Рецензенты:

Зав. кафедрой систем связи ФГБОУ ВО ПГУТИ, д.т.н., профессор Васин Н.Н.

Директор департамента проектирования ООО «Старт2ком» филиал Самарский Мердеев Э.М.

Ваняшин, С.В.

Р75 Контроль качества предоставления услуг (SLA) в се-

тях IP/MPLS: учеб. пособие. Самара: ФГБОУ ВО ПГУТИ, 2017. 100 с.

Учебное пособие содержит материал по дисциплине «Контроль качества предоставления услуг (SLA) в сетях IP/MPLS», читаемой для студентов очной полной формы обучения по направлению подготовки магистра «210700-Инфокоммуникационные технологии и системы связи» магистерской программы «Информационные технологии и сервисы в инфокоммуникациях», в котором рассматриваются целый ряд технологий обеспечения качества предоставления услуг в IP ориентированных сетях. Содержание курса обеспечивает слушателей необходимым объемом знаний для анализа и решения задач обеспечения качества обслуживания в IP-сетях.

© Ваняшин С.В., 2017

2

3

Введение

Телекоммуникационная отрасль является одной из самых быстроразвивающихся отраслей экономики. Ее бурный и динамический рост обуславливает потребность в высокопрофессиональных специалистах, подготовку которых должны обеспечить высшие учебные заведения страны. Такие специалисты должны владеть знаниями технологий обеспечения качества обслуживания в современных телекоммуникационных сетях и навыками их проектирования.

Настоящий курс лекций является частью учебнометодического комплекса и предназначен для студентов, обучающихся по программе «Контроль качества предоставления услуг (SLA) в сетях IP/MPLS» по направлению подготовки магистра 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи».

Конспект лекций состоит из 5 лекций, предусмотренных учебной программой ПГУТИ. В лекции 1 приводятся общие принципы обеспечения качества обслуживания в сетях, построенных на базе IP-ориентированных протоколов и вопросы стандартизации. Лекция 2 посвящена механизмам поддержки качества обслуживания в сетях IP в плоскости контроля и административного управления. В 3-й лекции обсуждаются механизмы поддержки качества обслуживания в сетях IP в плоскости данных. Лекция 4 предлагает слушателю обзор моделей предоставления интегрированных и дифференцированных услуг (IntServ и DiffServ), а в Лекции 5 приводится анализ организации виртуальных каналов при помощи меток, включая метки и механизмы MPLS, а также протоколов распределения меток.

В списке источников даны ссылки на нормативные документы, статьи и монографии, использованные при написании курса лекций.

4

Лекция 1. ОСНОВЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ОБСЛУЖИВАНИЯ В IP-СЕТЯХ

Цели лекции: изучение общих принципов обеспечения качества обслуживания в сетях, построенных на базе IP-ориентированных протоколов и вопросов стандартизации.

1.1Понятие качества обслуживания

Качество обслуживания (Quality of Service, QoS) определяется как мера производительности передающей системы, отражающая качество передачи и доступность услуг.

Качество передачи определяется следующими факторами:

доступность (Availability):

сетевая доступность — диапазон времени сетевой достижимости между входной и выходной точкой сети;

доступность сервиса (Service Availability) — диа-

пазон времени, в течение которого этот сервис доступен между определёнными входной и выходной точками с параметрами, оговорёнными в соглашении об уровне обслуживании (Service Level Agreement — SLA);

потери пакетов (Packet Loss) — отношение правильно принятых пакетов к общему количеству пакетов, которые были переданы по сети;

задержка (Delay) — время, которое требуется пакету для того, чтобы после передачи дойти до пункта назначения:

задержка сериализации (Serialization Delay) —

время, которое требуется устройству для передачи пакета заданного размера при заданной ширине полосы пропускания;

задержка распространения (Propagation Delay) — время, которое требуется переданной в канал единице информации для достижения принимающего

5

устройства (зависит от расстояния и среды передачи);

задержка коммутации (Switchiing Delay) — время, которое требуется устройству, принявшему пакет, для начала передачи его следующему устройству;

колебания задержки (Packet Jitter) — разница между сквозным временем задержки, которая возникает при передаче по сети разных пакетов;

пропускная способность (Bandwidth) — общее количество данных, которые могут быть переданы в единицу времени между двумя точками присутствия оператора.

В пакетных сетях в информационном потоке может передаваться разнородный трафик, характеризующийся критичными

ивторостепенными для себя параметрами. Для передачи аудио-

ивидеоданных требуются разные требования к QoS. Для передачи видеоданных необходима высокая пропускная способность

истабильное время задержки при передаче. При этом, чтобы избежать искажений изображения, необходим стационарный поток данных. При интерактивной передаче звука требуется меньше пропускной способности канала, чем при передаче видео, но необходима малая задержка прохождения пакетов через сеть, иначе возникает «эхо». Передача файлов требует высокой пропускной способности, но, в отличие от большинства других видов сетевого трафика, наименее чувствительна к длительным

инепостоянным задержкам в сети.

Качество обслуживания использует распределение по категориям и назначение приоритетов трафикам, что позволяет гарантировать трафику с большим приоритетом лучшие условия передачи через сетевую магистраль, вне зависимости от требований к пропускной способности трафика менее важных приложений.

1.2 Работы МСЭ по стандартизации качества обслуживания в сетях IP

Качество обслуживания (Quality of Service, QoS) является предметом активных исследований и стандартизации на протяжении всей истории развития телекоммуникаций. Существен-

6

ный вклад в развитие различных аспектов концепции QoS внес Международный союз электросвязи, включая, в том числе, разработку норм и требований к показателям качества обслуживания, стандартизацию сетевых механизмов, обеспечивающих необходимые показатели QoS, а также формулировку основополагающих определений.

Среди стандартов, посвященных качеству обслуживания в электросвязи, одно из центральных мест занимает Рекомендация МСЭ Е.800. В ней качество обслуживания определяется как "суммарный эффект рабочих характеристик обслуживания, который определяет степень удовлетворенности пользователя данной службой". Расширяя концепцию качества обслуживания, отвечающую Рекомендации Е.800, Рекомендация МСЭ G.1000 разделяет рабочие характеристики обслуживания на функциональные компоненты и связывает их с сетевыми характеристиками, определенными в ряде рекомендаций МСЭ – таких как

I.350, Y.1540 и Y.1541.

В дополнение к Рекомендации МСЭ G.1000, определяющей структуру связей между рабочими характеристиками (производительностью, надежностью, потерями, задержкой и др.) и характеристиками сети, Рекомендация МСЭ G.1010 содержит спецификации требований со стороны приложений, ориентированных на конечного пользователя.

Исторически, первые системы оценок и механизмов поддержки качества обслуживания были разработаны для традиционных видов электросвязи – телеграфии и телефонии. Понятно, что сегодня при широком применении сетей передачи данных, быстром внедрении широкополосных технологий и замене телеграмм на сообщения электронной почты параметры качества обслуживания и механизмы их поддержки в телеграфных сетях становятся все менее актуальными. При построении и эксплуатации ТфОП задача обеспечения гарантированного качества обслуживания состоит в том, чтобы обслуживание телефонного вызова осуществлялось с соблюдением всех установленных норм, в том числе, и заданных показателей качества передачи речи. Совокупность этих норм и соответствующих численных значений базируется на документах МСЭ и ETSI.

7

Модель услуг в ТфОП была основана на принципе установления соединения и в дальнейшем (70-е – 80- е годы прошлого столетия) была распространена на такие технологии передачи данных, как Х.25, Frame Relay и широкополосные цифровые сети интегрального обслуживания (B-ISDN), основанные на модели виртуальных каналов. В сетях B-ISDN рекомендации МСЭ (в частности, I.356 и I.610) и Форума ATM определяют параметры качества обслуживания и способы их измерений для межконцевых соединений.

В отличие от упомянутых выше технологий в классических сетях IP применяется метод доставки, полностью исключающий любую форму организации соединений – как физических, так и виртуальных. Этот метод основан на рассылке паке- тов-дейтаграмм. Качество доставки в традиционных сетях IP базируется на принципе так называемой "наилучшей попытки" (Best effort). Концепция "наилучшей попытки" предполагает, что пользователи справедливо разделяют доступные сетевые ресурсы, трафик передается со скоростью, максимально возможной в данных условиях загрузки ресурсов сети, но при этом не гарантируется обеспечение любого предварительно определенного уровня качества обслуживания. Очевидно, что такой подход к обслуживанию означает следующее: отсутствуют различия между разными видами трафика, нет гарантии в доставке пакетов в правильном порядке, и что он будет доставлен в требуемое время или вообще будет доставлен, и т. д.

Концепция "наилучшей попытки" была достаточно эффективной для приложений, где можно передавать данные не в реальном времени (электронная почта, передача файлов). Кроме того, с учетом переизбытка сетевых ресурсов в транспортных сетях, построенных на базе волоконно-оптических линий связи, принцип "наилучшей попытки" в определенной степени позволяет обеспечить сегодня требования телефонии (голос поверх IP) и других приложений реального времени.

Однако, как только возникает недостаток ресурсов, ведущий к увеличению вероятности потерь пакетов и росту их задержек, для приложений реального времени необходимые показатели качества обслуживания не могут быть обеспечены. Прежде всего, это объясняется основным принципом функцио-

8

нирования IP-сетей – передачей данных в дейтаграммном режиме, т. е. без установления соединений и без управления. С появлением новых приложений, особенно реального времени (интерактивная передача речи, видеотелефония и видеоконференции), вопрос о гарантированном качестве обслуживания в сетях IP становится одним из наиболее сложных. Это объясняет, почему качество обслуживания в сетях IP остается предметом постоянного внимания МСЭ, ETSI, IETF и других организаций стандартизации в электросвязи.

Сегодня общепризнанно, что сети с коммутацией каналов и пакетов постепенно эволюционируют в направлении создания общей инфраструктуры, базирующейся на протоколах семейства IP. Этот процесс получил название конвергенции. Инфраструктура, возникшая в результате конвергенции, должна будет обеспечивать транспортировку трафика телефонных сетей, сетей телевидения и трафика приложений, традиционно использующих сети Интернет. Подобный сценарий конвергенции предлагает как экономический выигрыш, получаемый благодаря объединению технологий, так и определяет развитие сектора телекоммуникаций через создание новых услуг.

Однако, процесс конвергенции до настоящего времени протекает достаточно медленно. И здесь мы вновь возвращаемся к проблеме обеспечения необходимого качества обслуживания, которая является одним из основных тормозящих факторов в процессе конвергенции сетей и услуг и построении единой сети на базе IP, рассматриваемой сегодня как сеть следующего поко-

ления (Next Generation Network, NGN). Чтобы полностью реали-

зовать преимущества конвергенции в будущих IPориентированных сетях, необходимо разработать новые принципы распределения ресурсов сетей и управления трафиком, которые будут гарантировать различные уровни показателей качества обслуживания для большого и разнообразного числа приложений, реализуемых конечными пользователями.

При этом разделение ресурсов и процессы управления трафиком должны быть скоординированы в условиях наличия большого числа разнообразных приложений с существенно отличающимися требованиями к рабочим характеристикам сети (табл. 1.1). Детальное рассмотрение рабочих характеристик,

9

определяющих качество обслуживания, и соответствующих норм будет проведено в следующих разделах.

Таблица. 1.1 Чувствительность различных приложений к сетевым характеристикам

В рамках работ МСЭ по стандартизации качества обслуживания в сетях IP предполагаются следующие этапы решения задачи обеспечения QoS для сетей, построенных на базе IPориентированных протоколов:

создание согласованного общего набора рабочих характеристик сетей IP и норм для него;

внедрение сетевых механизмов, которые будут обеспечивать заданные показатели качества обслуживания в конфигурации "терминал-терминал";

вложение нормированных значений показателей качества обслуживания в протоколы сигнализации;

разработка архитектуры сетевых механизмов поддержки.

В 2002 г. ИК 13 МСЭ-Т опубликовала два международных стандарта, которые отвечают первому из перечисленных этапов. Рекомендация МСЭ Y.1540 описывает стандартные сетевые характеристики для передачи пакетов в сетях IP. Рекомендация МСЭ Y.1541 определяет нормы для параметров, определенных в Y.1540, между двумя граничными сетевыми интерфейсам – точками подключения оконечных терминальных устройств. Кроме того, в этой рекомендации специфицированы шесть классов качества обслуживания в зависимости от приложений.

Эти рекомендации важны для всех участников телекоммуникационного сценария – операторов и провайдеров, произ-

10