Обеспечение перекрывающей пропускной способности

Появившиеся в последнее время новые высокоскоростные технологии, такие как Gigabit Ethernеt и ATM, приводят к мысли, что все проблемы, связанные с ка­чеством обслуживания, можно решить просто увеличением пропускной способ­ности, которой у новых технологий, казалось бы, предостаточно. Действительно, это может быть, решением в некоторых случаях, особенно, если локальной сетью пользуются небольшие рабочие группы.

Использование высокоскоростных каналов связи, предоставляемых, напри­мер, технологиями Fast/Gigabit Ethernet со скоростями 100/1000 Мбит/с, да еще в сочетании с неблокирующими коммутаторами при достаточно низкой за­грузке сети, позволяет избежать возникновения узких мест в сети. Достигается и низкая задержка и небольшая амплитуда дрожания, причем без использования технологии АТМ. Главным здесь является стремление отказаться от маршрути­зации и других методов, способных вызвать потерю пакетов и их повторную передачу. Однако в подавляющем большинстве случаев все же необходим жест­кий контроль за распределением трафика.

К сожалению, методы контроля трафика в локальных сетях находятся сейчас практически ч зачаточном состоянии. При неконтролируемой загрузке сети может возникнуть ситуация, когда коммутаторы, не справляясь с нагрузкой, на­чинают попросту отбрасывать пакеты, которые они не в состоянии обработать. При этом конечные станции будут повторять передачу этих пакетов вновь и вновь, что еще больше увеличит трафик. В такой ситуации передача аудио- и видеоинформации по сети невозможна.

Если рассматривать магистральные сети, то подключение к ним локальных сетей с полной анархией в управлении трафиком может привести к тому, что даже всех резервов высокоскоростных технологий будет недостаточно для пере­дачи приоритетного трафика. Так что и для магистральных сетей необходима классификация трафика и механизм качества обслуживания.

Локальные и глобальные сети, работающие на максимуме своей пропускной способности (но не на пределе), часто испытывают трудности из-за того, что не существует механизмов разрешения конфликтных ситуаций. Установка новых приложений или незапланированная концентрация пользователей в определен­ной части сети может привести к кризису сети, выйти из которого бывает до­статочно тяжело. Так что простого увеличения пропускной способности явно недостаточно.

Приоритетные очереди в маршрутизаторах

Большинство современных маршрутизаторов имеют встроенные функции ор­ганизации приоритетных очередей, которые позволяют обслуживать в первую очередь определенные виды трафика. Например, администратор может указать, что трафик к определенной группе адресов для некоторых приложений должен иметь более высокий приоритет, чтобы уменьшить задержку. Это особенно важно в больших распределенных сетях. На рис. 3.2 приведен пример распреде­ления данных от различных протоколов по уровням приоритетов при поступле­нии их в очередь маршрутизатора.

Метод приоритетных очередей наиболее часто используется для предоставле­ния временных гарантий чувствительным к задержкам приложениям. Его воз­можностей может быть достаточно для трафика некоторых протоколов. Данный метод может применяться для передачи аудио- и видеоинформации, когда не требуется высокое качество. Для доставки аудио- и видеоинформации с высо­ким качеством необходимо гарантировать низкую задержку и небольшой эф­фект дрожания. Этого трудно добиться в сетях без значительных накладных расходов при резервировании буферного пространства маршрутизаторов и без реализации сложных алгоритмов обработки очередей.

На данный метод не существует единого стандарта. Отдельные его части опи­саны в разных стандартах. Каждый производитель сетевого оборудования реали­зует в своих изделиях собственные алгоритмы обработки очередей. Например, компания Cisco Systems использует алгоритм взвешенной справедливой очереди с ранним обнаружением ошибок, а компания Bay Networks — очередь, основан­ную на классах.

Если маршрутизатор получает пакеты быстрее, чем он может отправить их через данный порт, он помещает пакеты в очередь. Затем, в простейшем случае, они отправляются в порядке поступления, то есть реализуется принцип «первым пришел, первым ушел» — FIFO (First In, First Out). Такой алгоритм довольно эффективен, но опыт управления сетями показывает, что он далеко не опти­мален.

Случайное раннее обнаружение (Random Early Detection, RED) представляет собой альтернативу очередям FIFO. Этот метод позволяет смягчить эффект от потери пакетов даже при очень больших нагрузках. Такая очередь по-прежнему использует принцип FIFO, но пакеты отбрасываются случайным образом (вмес­то того, чтобы отбрасывать сообщения из конца очереди), когда средняя длина очереди за данный промежуток времени превосходит установленное значение. Этим достигается оптимизация заполнения очереди. Данный алгоритм был из­начально придуман для протокола TCP, но он может быть применим к трафику любого протокола, когда сеть не гарантирует доставки.

Очередь с приоритетами — это алгоритм, при котором несколько очередей FIFO или RFD образуют одну очередь. Трафик распределяется между этими очередями в соответствии с заданными критериями. При этом трафик отправля­ется в порядке строгой очередности: первым — трафик с высоким приоритетом, вторым — со средним и т. д.

Очереди на основе классов (Class-Based Queuing, CBQ) — это алгоритм, при котором трафик делится на несколько классов. Каждый класс имеет собствен­ную очередь и ему выделяется некоторая часть пропускной способности канала.

Взвешенная справедливая очередь (Weighted Fair Queuing, WFQ) — частный случай CBQ, когда классам соответствуют независимые потоки. Каждому классу соответствует одна очередь FIFO и ей отводится некоторая часть пропускной способности канала. При этом происходит перераспределение пропускной спо­собности между потоками. Выделение дополнительной пропускной способности для больших чотоков позволяет уменьшить задержку при их обработке.

Интерфейсом к очередям передачи пакетов служит протокол резервирования ресурсов (Resource Reservation Protocol — RSVP). Этот протокол позволяет системам запрашивать сервисы у сети, например, гарантированную пропускную спо­собность, максимальный уровень потерь пакетов или предсказуемую задержку.

По мнению администраторов, которые внедрили у себя магистрали на базе маршрутизаторов, обычно этот метод справляется с перегрузками и помогает избежать появления сбоев в сети. Метод уже доказал свою пригодность при «расшивке» узких мест сети. Однако вызывает сомнение применимость этого метода в больших сетях, обслуживающих разнообразные данные. Организациям, планирующим внедрять у себя такие сети, следует рассмотреть и другие техно­логии обеспечения качества обслуживания.