5.5 Управление скоростью

Качество обслуживания (QoS – Quality of Servise) задаёт требования к технологии формирования платформы, необходимой для ра­боты современных приложений, а также требований к ширине полосы про­пускания и времени задержек прохож­дения информации по сети. Без задания требований к QoS невозможна разработка со­глашений об уровне сервиса (SLA, Ser­vice Level Agreement), определяющих стоимость различных услуг сети пере­дачи данных.

На начальной стадии технология QoS задавала различ­ные алгоритмы организации очередей, которые ус­танавливались и поддерживались сете­выми маршрутизаторами и другими устройствами. Эти алгоритмы использовали косвенное управление на трафик путем буферизации либо ис­кусственного введения ошибок.

В дальнейшем в QoS была реализована технология явного управления скоростью тра­фика (ECR, Explicit Rate Control), ко­торая в течение ряда лет довольно активно использовалась с асинхронным способом передачи. Эту технологию можно организовать автономно или совместно с существующими алгоритмами орга­низации очередей в интересах роста производительности каналов связи, уменьшения времени ожидания реакции сети и увеличения степени детализации сетевого управления за счет контроля за отдельными потоками трафика.

Использование ECR позволяет:

• управлять распределе­нием полосы пропускания между вхо­дящими и исходящими потоками тра­фика;

• снизить нагрузку на сеть, свя­занную с повторной передачей пакетов с ошибками;

• уменьшить длину оче­редей в маршрутизаторе;

• со­кратить время доставки пакета и уменьшение его флуктуации;

• обеспечить бы­струю адаптацию к изменениям ситуа­ции в сети.

Отдельное сетевое устрой­ство может осуществлять полное упра­вление потоками трафика, следующи­ми в обоих направлениях.

Сети отдель­ных предприятий и сети связи специаль­ного назначения объединяются в боль­шие многофункциональные сети, спо­собные работать с широким спектром из­меняющихся приложений и предостав­лять все виды связи. Однако в таких сетях управление и контроль за использовани­ем сетевых ресурсов становятся опреде­ляющими, поскольку индивидуальные приложения могут влиять на параметры функционирования системы в целом.

При этом технология QoS призвана обеспечить при прохождении трафика более «высокой» категории заданные значения параметров незави­симо от интенсивности трафика других категорий. Потребность в использо­вании данной технологии увеличива­ется по мере того, как многочисленные магистрали сетей с различными харак­теристиками и системами приоритетов объединяются в процессе создания единой сети в масштабах одного или нескольких предприятий.

Передаваемый по сети трафик может быть классифицирован по типам соз­дающих его приложений и по протоко­лам, на базе которых осуществляется передача на три категории:

1. Трафик реального времени, включающий аудио- и видеоинформацию, кри­тичную к задержкам при передаче.

2. Трафик транзакций (интерактивный), обеспечивающий задержки не более 0,1 с. В противном случае пользователи будут вынуждены прерывать работу и ждать ответа на свои сообщения.

3. Трафик данных, при котором задержки могут иметь практически любые значения и достигать даже нескольких секунд. Для такого трафика полоса пропускания более важна, чем время задержек, так как уве­личение пропускной способности сети влечет за собой уменьшение времени передачи.

Трафик может быть распределен по приорите­там, причем если не соблюсти требования к передаче трафика той или иной категории, то соответствующее приложение просто не сможет ра­ботать.

Качество обслужи­вания потоков данных может быть обеспе­чено маршрутизаторами за счет организации входных оче­редей, позволяющих устранить проблемы, возникающие при взрывном росте трафика. Когда трафик достигает марш­рутизатора, пакеты помещаются в одну из множества очередей в соответствии с алгоритмом организации очереди, ус­тановленным при конфигурации маршрутизатора.

Самый простой из таких алгоритмов – «первым пришел – первым ушел» (FIFO, first in – first out). В этом алгоритме используется только одна выход­ная очередь для каждого порта, приводящая к двум основным проблемам:

• первоочередной интерактивный трафик может блокироваться следующими дан­ными большого объема, приводящими к переполнению очереди и потере пакетов всего трафика;

• при перепол­нении очереди пакеты всех потоков могут теряться - происходит так назы­ваемый «отброс хвоста». Это приводит к одновременному повторению пере­дачи всех проходящих потоков, что обуславливает появление «волн трафика».

Уменьшение вероятности переполнения очереди путем увеличения размера са­мой очереди вызывают пробле­мы, связанные с увеличением флуктуации задержек в сети. Для «погашения» этих флуктуаций необходимо увеличивать объем буфера на приемной стороне

Для преодоления первой проблемы были разработаны очереди с приоритетами, когда потоки трафика с разными приоритетами по­мешаются в разные выходные очереди. В этом случае первооче­редные потоки трафика должны быть специально обозначены, с помощью поля «Тип сервиса» в заголовке дейтаграммы (рис. 5.7).

Рис. 5.7 Приоритеты пакетов в очередях маршрутизатора

Недостаток очередей с приоритета­ми заключается в том, что менее приоритет­ные очереди могут требовать пропу­скную способность в тот мо­мент, когда сеть и без того перегруже­на. При этом попытки инициализировать по­вторные передачи для потоков трафика с низкими приоритетами увеличивают перегрузку сети.

Производились различные усовершенствования метода очередей с приоритетом, направленные на получение всеми очередями определенной доли полосы пропуска­ния. Так метод справедливой организации очереди (Fair Queuing – FQ) гарантиру­ет, что трафик может свое­временно проходить через маршрутиза­торы, не блокируя полосу пропускания для других пользователей. Метод взвешенной справедливой ор­ганизации очереди (Weighted Fair Queu­ing – WFQ) обеспечивает разделение потоков с вы­сокой и низкой потребностью в ширине полосы пропускания. Потоки с низкой потребностью в ширине полосы пропускания получают более высокий приоритет, при этом время ответа для них зна­чительно сокращается.

Проблему «отброса хвоста» решает RED (Random Early Detection), алгоритм случайного раннего обнаруже­ния, который кон­тролирует размер выходной очереди и отбрасывает пакеты в заранее оговорен­ных потоках трафика, прежде чем про­изойдет переполнение очереди.

Организация очередей сама не может полностью устранить проблему управле­ния непрерывными потоками данных. Поэтому для очередей на граничных устройствах осуществляется бу­феризация пакетов, а для промежуточ­ных устройств — внесение ошибок в передачу, за­медляющих потоки трафика.