Качество обслуживания в сетях IP

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СВЯЗИ, ИНФОРМАТИЗАЦИИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Контрольная работа

«Качество обслуживания в сетях IP»

Выполнил Урунов Маруф ТАШКЕНТ 2015

1. Понятие Quality of Service

2. Механизм работы

3. Альтернативное определение и субъективная оценка QoS

4. Протоколы, предоставляющие услугу QoS

5. Определение IP

6. Основные классы IP-адресов

7. Качество обслуживания в IP-сетях

8. Дифференцированное обслуживание разнотипного трафика — DiffServ

9. Модель Diff-Serv

10. Интегрированное обслуживание — IntServ

11. Модель IntServ

12. Интегро-дифференцированное обслуживание трафика

13. Модель DiffServ + IntServ

14. Протокол резервирования ресурсов — RSVP

15. Применение протокола RSVP

16. Сравнение технологий IntServ, DiffServ, MPLS

1. Понятие Quality of Service

Сети с коммутацией пакетовна основе протокола IP не обеспечивают гарантированной пропускной способности, поскольку не гарантируют доставку.

Для приложений, где не важен порядок и интервал прихода пакетов, время задержек между отдельными пакетами не имеет решающего значения. IP-телефония является одной из областей передачи данных, где важен порядок прихода пакетов и важна динамика передачи сигнала, которая обеспечивается современными методами кодирования и передачи информации. Транспортные протоколы стека TCP/IP, функционирующие поверх протокола IP, не обеспечивают высокого качества обслуживания трафика, чувствительного к задержкам. Протокол TCP, хоть и гарантирует достоверную доставку информации, но переносит ее с непредсказуемыми задержками. Протокол UDP, который, как правило, используется для переноса информации в реальном времени, обеспечивает меньшее, по сравнению с протоколом TCP, время задержки, но, как и протокол IP, не содержит никаких механизмов обеспечения качества обслуживания.

Вместе с тем необходимо обеспечить механизмы, по которым в периоды перегрузки пакеты с информацией, чувствительной к задержкам (например, речь), не будут простаивать в очередях или получат более высокий приоритет, чем пакеты с информацией, не чувствительной к задержкам. Для этой цели в сети должны быть реализованы механизмы, гарантирующие нужное качество обслуживания (Qualityof Service-QoS).

Объективными, измеряемыми или рассматриваемыми показателями качества являются:

Ш изменение задержки в сети;

Ш пропускная способность сети.

Ш Время отклика оценивается по:

Ш промежутку времени от момента передачи пакета до момента приема подтверждения;

Ш времени задержки однонаправленного сквозного соединения, также называемой временем запаздывания (latency);

Ш пропускной способности.

Готовность и надежность оценивается по:

Ш возможности получения доступа к ресурсам сети или коэффициенту использования;

Ш результатам контроля уровня обслуживания 24/7 (при режиме работы 24 часа в сутки, 7 дней в неделю).

Меры обеспечения QoS, применяемые в IP-сетях:

Ш Резервирование ресурсов (на время соединения запрашиваются и резервируются необходимые для выполнения приложения ресурсы).

Ш Приоритезация трафика (разделение трафика в сети на классы с приоритетным порядком обслуживания некоторых из них).

Ш Перемаршрутизация (позволяет при перегрузке в сети перевести трафик на резервный маршрут; именно этим способом обеспечивается QoS в подавляющем большинстве контроллеров SBC).

2. Механизм работы трафик сеть протокол резервирование Для большинства случаев качество связи определяется четырьмя параметрами:

· Полоса пропускания (Bandwidth), описывает номинальную пропускную способность среды передачи информации, определяет ширину канала. Измеряется в bit/s (bps), kbit/s (Kbps), Mbit/s (Mbps), Gbit/s (Gbps).

· Задержка при передаче пакета (Delay), измеряется в миллисекундах.

· Колебания (дрожание) задержки при передаче пакетов— джиттер.

· Потеря пакетов (Packet loss). Определяет количество пакетов, потерянных в сети во время передачи.

Для простоты понимания канал связи можно представить в виде условной трубы, а пропускную способность описать как функцию двух параметров: диаметра трубы и её длины.

Когда передача данных сталкивается с проблемой «бутылочного горлышка» для приёма и отправки пакетов на маршрутизаторах, то обычно используется метод FIFO: первый пришел — первый ушёл (First In— First Out). При интенсивном трафике это создаёт заторы, которые разрешаются крайне простым образом: все пакеты, не вошедшие в буфер очереди FIFO (на вход или на выход), игнорируются маршрутизатором и, соответственно, теряются безвозвратно. Более разумный метод — использовать «умную» очередь, в которой приоритет у пакетов зависит от типа сервиса — ToS. Необходимое условие: пакеты должны уже нести метку типа сервиса для создания «умной» очереди. Обычные пользователи чаще всего сталкиваются с термином QoS в домашних маршрутизаторах с поддержкой QoS. Например, весьма логично дать высокий приоритет пакетам VoIPи низкий— пакетам FTP, SMTP и клиентам файлообменной сети.

3. Альтернативное определение и субъективная оценка QoS

Другим методом оценки качества, особенно в IP-телефонии и IP-TV, является метрический метод, который отражает или предсказывает субъективно опытное качество. Используются субъективные оценки и показатели типа «пользователь чувствовал работу», «степень удовлетворения пользователя», «число счастливых клиентов». Метод носит название Mean Opinion Score (MOS, «абсолютно субъективное понятие»), или Quality of Experience (QoE, «метод эмпирических оценок»).

В этом контексте QoS — совокупный эффект от удовлетворения заказчика сервисов, затрагивающих все виды обслуживания. Это определение оценивает соответствующее приложение в виде субъективной оценки и корректируется соответствующими коэффициентами о: времени ответа, наличии и величине провалов, шумов, слышимых посторонних разговоров, уровня громкости, частотной характеристики, заметного эха ит.д., и также включает субъективную оценку обслуживания (служба поддержки).

4. Протоколы, предоставляющие услугу QoS

Ш IP Differentiated services (DiffServ)

Ш IP Integrated services (IntServ)

Ш Resource reSerVation Protocol (RSVP (протокол))

Ш Multiprotocol Label Switching (MPLS)

Ш RSVP-TE

Ш Frame relay

Ш X.25

Ш Asynchronous Transfer Mode (ATM)

Ш IEEE 802.1p

Ш IEEE 802.1Q

Ш IEEE 802.11e

Ш IEEE 802.11p

Ш HomePNA

5. Определение IP

Internet Protocol (IP, досл. «межсетевой протокол») — маршрутизируемый протокол сетевого уровня стека TCP/IP. Именно IP стал тем протоколом, который объединил отдельные компьютерные сети во всемирную сеть Интернет. Неотъемлемой частью протокола является адресация сети (см. IP-адрес).

IP объединяет сегменты сети в единую сеть, обеспечивая доставку пакетов данных между любыми узлами сети через произвольное число промежуточных узлов (маршрутизаторов). Он классифицируется как протокол третьего уровня по сетевой модели OSI. IP не гарантирует надёжной доставки пакета до адресата — в частности, пакеты могут прийти не в том порядке, в котором были отправлены, продублироваться (приходят две копии одного пакета), оказаться повреждёнными (обычно повреждённые пакеты уничтожаются) или не прийти вовсе. Гарантию безошибочной доставки пакетов дают некоторые протоколы более высокого уровня—транспортного уровня сетевой модели OSI, — например, TCP, которые используют IP в качестве транспорта.

6. Основные классы IP-адресов

IP-адрес имеет длину 4 байта и обычно записывается в виде четырех чисел, представляющих значения каждого байта в десятичной форме, и разделенных точками, например:

128.10.2.30 — традиционная десятичная форма представления адреса,

10 000 000 1 010 10 11 110 — двоичная форма представления этого же адреса.

Адрес состоит из двух логических частей — номера сети и номера узла в сети. Какая часть адреса относится к номеру сети, а какая к номеру узла, определяется значениями первых битов адреса:

Ш Если адрес начинается с 0, то сеть относят к классу А, и номер сети занимает один байт, остальные 3 байта интерпретируются как номер узла в сети. Сети класса, А имеют номера в диапазоне от 1 до 126. (Номер 0 не используется, а номер 127 зарезервирован для специальных целей, о чем будет сказано ниже.) В сетях класса, А количество узлов должно быть больше 2, но не превышать 2.

Ш Если первые два бита адреса равны 10, то сеть относится к классу В и является сетью средних размеров с числом узлов 2- 2. В сетях класса В под адрес сети и под адрес узла отводится по 16 битов, то есть по 2 байта.

Ш Если адрес начинается с последовательности 110, то это сеть класса С с числом узлов не больше 2. Под адрес сети отводится 24 бита, а под адрес узла — 8 битов.

Ш Если адрес начинается с последовательности 1110, то он является адресом класса D и обозначает особый, групповой адрес — multicast. Если в пакете в качестве адреса назначения указан адрес класса D, то такой пакет должны получить все узлы, которым присвоен данный адрес.

Ш Если адрес начинается с последовательности 11 110, то это адрес класса Е, он зарезервирован для будущих применений.

В таблице приведены диапазоны номеров сетей, соответствующих каждому классу сетей.

Таблица 1

IP-пакет — форматированный блок информации, передаваемый по компьютерной сети, структура которого определена протоколом IP. В отличие от них, соединения компьютерных сетей, которые не поддерживают IP-пакеты, такие как традиционные соединения типа «точка-точка» в телекоммуникациях, просто передают данные в виде последовательности байтов, символов и либитов. При использовании пакетного форматирования сеть может передавать длинные сообщения более надежно и эффективно.

v Версия — для IPv4 значение поля должно быть равно 4.

v IHL — (Internet Header Length) длина заголовка IP-пакета в 32-битных словах (dword). Именно это поле указывает на начало блока данных (англ.payload — полезный груз) в пакете. Минимальное корректное значение для этого поля равно 5.

v Длина пакета — длина пакета воктетах, включая заголовок и данные. Минимальное корректное значение для этого поля равно 20, максимальное — 65 535.

v Идентификатор — значение, назначаемое отправителем пакета и предназначенное для определения корректной последовательности фрагментов при сборке пакета. Для фрагментированного пакета все фрагменты имеют одинаковый идентификатор.

v 3 бита флагов. Первый бит должен быть всегда равен нулю, второй бит DF (don't fragment) определяет возможность фрагментации пакета и третий бит MF (more fragments) показывает, не является ли этот пакет последним в цепочке пакетов.

v Смещение фрагмента— значение, определяющее позицию фрагмента в потоке данных. Смещение задается количеством восьмибайтовых блоков, поэтому это значение требует умножения на 8 для перевода в байты.

v Время жизни (TTL) — число маршрутизаторов, которые может пройти этот пакет. При прохождении маршрутизатора это число уменьшается на единицу. Если значение этого поля равно нулю, то пакет должен быть отброшен, и отправителю пакета может быть послано сообщение Time Exceeded (ICMP тип 11 код 0).

v Протокол — идентификатор интернет-протокола следующего уровня указывает, данные какого протокола содержит пакет, например, TCP или ICMP (см. IANA protocol numbersиRFC 1700). ВIPv6называется «Next Header».

v Контрольная сумма заголовка— вычисляется в соответствии сRFC 1071

7. Качество обслуживания в IP-сетях Меры обеспечения QoS, применяемые в IPсетях:

1. Резервирование ресурсов (на время соединения запрашиваются и резервируются необходимые для выполнения приложения ресурсы).

2. Приоритезация трафика (разделение трафика в сети на классы с приоритетным порядком обслуживания некоторых из них).

3. Перемаршрутизация (позволяет при перегрузке в сети перевести трафик на резервный маршрут; именно этим способом обеспечивается QoS в подавляющем большинстве контроллеров SBC).

В современных IP-сетях перечисленные меры реализуются с помощью технологий IntServ, DiffServ и MPLSс использованием протокола RSVP.

8. Дифференцированное обслуживание разнотипного трафика — DiffServ

Опция DiffServ позволяет классифицировать пакеты из трафика, идущего в локальную сеть. Работа DiffServ основывается на идентификаторе DSCP, представляющем собой первые 6битполяTOS. DSCPопределяет, как будут перенаправляться пакеты в DiffServ-сети (PHB, Per-hop Behavior). Изменяя значение этого идентификатора, различные виды трафика можно распределить по приоритетам в очереди.

9. Модель Diff-Serv

Рисунок 1

Поступающий в сеть трафик классифицируется и нормализуется пограничными маршрутизаторами. Нормализация трафика предусматривает измерение его параметров, проверку соответствия заданным правилам предоставления услуг, профилирование (при этом пакеты, не укладывающиеся в рамки установленных правил, могут быть отсеяны) и другие операции. В ядре сети магистральные маршрутизаторы обрабатывают трафик в соответствии с классом PHB, код которого указан в поле DS.

Достоинства модели Diff-Serv:

v обеспечивает единое понимание того, как должен обрабатываться трафик определенного класса;

v позволяет разделить весь трафик на относительно не большое число классов и не анализировать каждый информационный поток отдельно;

v нет необходимости в организации предварительного соединения и в резервировании ресурсов;

v не требуется высокая производительность сетевого оборудования.

К настоящему времени для Diff-Serv определено два класса трафика:

v класс срочной пересылки пакетов (Expedited Forwarding PHB Group);

v класс гарантированной пересылки пакетов (Assured Forwarding PHB Group).

Механизм обеспечения QoS на уровне сетевого устройства, применяемый в Diff-Serv, включает в себя следующие операции. Сначала пакеты классифицируются на основании их заголовков. Затем они маркируются в соответствии с произведенной классификацией (в поле приоритета Diff-Serv в зависимости от маркировки выбирается алгоритм передачи, при необходимости — с выборочным удалением пакетов), позволяющий избежать заторов в сети. Заключительная операция чаще всего состоит в организации очередей с учетом приоритетов.

10. Интегрированное обслуживание — IntServ

IntServ (Integrated Services) больше подходит для концентрации трафика в пограничной сети IP и не рекомендована для применения в транзитных сетях IP (из-за проблем с масштабируемостью).

Модель с интеграцией услуг была предложена в начале 90-х годов и разрабатывалась для обслуживания единичных потоков, которым предоставляется два вида услуг: гарантированные и с управляемой нагрузкой. Гарантированные услуги позволяют обеспечить определенному объему трафика поддающееся количественному вычислению максимальное значение задержки при прохождении пакетов из конца в конец. Услуги с управляемым уровнем нагрузки предоставляют определенному объему трафика обслуживание best-effort при виртуальной низкой сетевой нагрузке без строгих гарантий.

11. Модель IntServ

Рисунок 2

В каждом узле, поддерживающем IntServ, должно быть несколько обязательных элементов:

v классификаторнаправляет поступающий пакет в один из классов обслуживания согласно информации, полученной из заголовков (сетевого и транспортного уровней) пакета. Класс обслуживания реализуется в виде отдельной очереди. Все пакеты в пределах одного класса обслуживания должны получать одинаковый QoS;

v диспетчер пакетов — извлекает из каждой очереди пакеты и направляет их на канальный уровень. Для IntServ предложен двухступенчатый диспетчер пакетов. Все поступающие пакеты обрабатываются в соответствии с дисциплиной обслуживания WFQ для изоляции потоков, получающих гарантированные услуги, от всех остальных. Потоки с управляемой нагрузкой и потоки best-effort разделяются с помощью приоритетов;

v блок управления доступом (admission control) — принимает решения о возможности получения трафиком требуемого количества ресурсов, не влияя при этом на ранее предоставленные гарантии. Управление доступом выполняется на каждом узле для принятия или отклонения запроса на выделение ресурсов по всему пути прохождения потока;

v протокол резервирования ресурсов — информирует участников соединения (отправителя, получателя, промежуточные маршрутизаторы) о требуемых параметрах обслуживания. Для модели IntServ рекомендуется использовать протокол RSVP.

Сервисная модель IntServ в сочетании сRSVP (см. далее) позволяет организовать гибкое обслуживание разнотипного трафика, максимально учитывая потребности каждого приложения, а использование WFQ для обслуживания пакетов гарантирует максимально допустимое значение задержки. Эта особенность делает IntServ идеальной для обслуживания мультимедийного трафика.

12. Интегро-дифференцированное обслуживание трафика Опубликованный в 2000 г. стандарт RFC2998 описывает принципы организации взаимодействия IntServ/RSVP и DiffServ для предоставления QoS из конца в конец. Слабые места одной модели компенсируются соответствующими решениями другой. С одной стороны, плохо масштабируемая IntServ на магистральных участках сети может быть заменена на более простую DiffServ, с другой стороны, с помощью RSVP может решаться (если не полностью, то в большей степени) проблема с неопределенностью получаемого сервиса в «чистой» DiffServ-сети.

13. Модель DiffServ + IntServ

Рисунок 3

Основная проблема при взаимодействии — соответствие ресурсов, запрашиваемых с помощью RSVPи предоставляемых в DiffServ-регионе (так называется непрерывная последовательность DiffServ-доменов, в пределах которых могут предоставляться дифференцированные услуги). Для реализации отображения ресурсов был предложен ряд решений.

Возможна организация двух вариантов взаимодействия протоколов качества обслуживания:

v DiffServ-регион не поддерживает RSVP-сигнализацию, и ресурсы выделяются на статической основе;

v Обработка RSVP-сообщений производится в DiffServ-регионе.

14. Протокол резервирования ресурсов — RSVP

Одним из средств обеспечения качества IP-телефонии и особенно интернет-телефони и является использование протокола резервирования ресурсов (Resource Reservation Protocol, RSVP), рекомендованного комитетом IETF. С помощью RSVP мультимедиа-программы могут потребовать специального качества обслуживания (specificqua lityofservice-QoS) посредством любого из существующих сетевых протоколов — главным образом IP, хотя возможно использовать и UDP, — чтобы обеспечить качественную передачу видеои аудиосигналов. Протокол RSVP предусматривает гарантированное QoS благодаря тому, что через каждый компьютер, или узел, который связывает между собой участников телефонного разговора, может передаваться определенное количество данных.

Протокол RSVP предназначен только для резервирования части пропускной способности. Используя RSVP, отправитель периодически информирует получателя о свободном количестве ресурсов сообщением RSVPPath. Транзитные маршрутизаторы по мере прохождения этого сообщения также анализируют имеющееся у них количество свободных ресурсов и подтверждают его соответствующим сообщением RSVPResv, передаваемым в обратном направлении. Если ресурсов достаточно, то отправитель начинает передачу. Если ресурсов не достаточно, получатель должен снизить требования или прекратить передачу информации.

15. Применение протокола RSVP

Рисунок 4

RSVPэто протокол сигнализации, который обеспечивает резервирование ресурсов для предоставления в IP-сетях услуг эмуляции выделенных каналов. Протокол позволяет системам запрашивать, например, гарантированную пропускную способность такого канала, предсказуемую задержку, максимальный уровень потерь. Но резервирование выполняется лишь в том случае, если имеются требуемые ресурсы.

Одной из особенностей RSVP является то, что запросы на резервирование ресурсов направляются только от получателей данных отправителям, а не наоборот. Такой подход обусловлен тем, что лишь устройство-получатель знает, с какой скоростью оно должно получать данные, чтобы надежно декодировать аудиоили видеосигналы. Другая особенность RSVP — резервирование производится лишь для одного направления. Кроме того, RSVP не допускает смешения аудиои видеосигналов на зарезервированном канале.

16. Сравнение технологий IntServ, DiffServ, MPLS

Рисунок 5

Так как для обеспечения качества только анализируется поле заголовка пакета IP и не используются никакие вспомогательные протоколы сигнализации, то проблема совместимости оборудования разных производителей неактуальна.

Технология DiffServ может использоваться в транзитной сети. Но в условиях однородного трафика, например, только голосового, принцип применения приоритетов теряет смысл и сеть начинает работать в режиме BestEffort.

MPLS (много протокольная коммутация по меткам) предназначена для ускорения коммутации пакетов в транспортных сетях. Основное отличие этой технологии от рассмотренных ранее в том, что MPLS изначально не является технологией обеспечения качества и становится таковой только при использовании протокола RSVP-TE.

На границе сети MPLS маршрутизаторы помечают пакеты специальными метками, определяющими дальнейший маршрут следования пакета к месту назначения. В результате анализируются не адреса IP, а короткие цифровые метки, что существенно снижает сетевую задержку и требования к производительности маршрутизаторов. Для корректного взаимодействия их между собой и обмена информацией о создаваемых метках используются протоколы распределения меток (LDP, CR-LDP, RSVP-TE и др.).

Маршрут может также задаваться административно. В этом случае заранее определяется весь перечень узлов, через которые он будет проходить. Если для соединения требуется гарантия определенного уровня качества, то для распределения меток применяется протокол RSVP-TE, и на маршруте резервируются необходимые ресурсы. ВRSVP-TE предусмотрены контроль и обновление установленного соединения, так что в случае повреждения в сети можно динамически перевести потоки трафика на резервный маршрут.

Технология MPLS характеризуется высокой масштабируемостью и рассматривается в качестве наиболее перспективной для передачи трафика IP. Она стандартизована IETF, поэтому, как и в случае сIntServ, при отклонении от спецификаций могут возникнуть проблемы с совместимостью оборудования разных производителей.