Качество обслуживания: Приоритизация трафика и оценка производительности сети

Введение

Приоритизация трафика и оценка производительности сети – термин, ориентированный на клиентский сервис.

Качество обслуживания (QoS) – это описание или измерение общей производительности услуги, такой как телефонная или компьютерная сеть, или облачный сервис, особенно с точки зрения восприятия пользователями сети. Для количественной оценки качества обслуживания часто рассматриваются различные аспекты сетевой услуги, такие как потеря пакетов, битрейт, пропускная способность, задержка передачи, доступность, джиттер и другие. В области компьютерных сетей и других сетей связи с коммутацией пакетов, качество обслуживания относится к механизмам приоритизации трафика и резервирования ресурсов, а не к фактическому качеству предоставляемой услуги. Качество обслуживания – это возможность назначать различные приоритеты приложениям, пользователям или потокам данных, либо гарантировать определенный уровень производительности для конкретного потока данных. Качество обслуживания особенно важно для передачи трафика, предъявляющего особые требования. В частности, разработчики внедрили технологию Voice over IP, чтобы компьютерные сети могли быть столь же эффективны, как телефонные сети для голосовой связи, а также поддерживать новые приложения с еще более строгими требованиями к производительности сети.

Определения

В области телефонии качество обслуживания было определено ITU в 1994 году. В области компьютерных сетей и других сетей связи с коммутацией пакетов, инженерное обеспечение трафика относится к механизмам приоритезации трафика и резервирования ресурсов, а не к достигнутому качеству обслуживания. Качество обслуживания – это способность предоставлять различные приоритеты различным приложениям, пользователям или потокам данных, либо гарантировать определенный уровень производительности для потока данных. Например, может быть гарантирована требуемая битовая скорость, задержка, изменчивость задержки, потеря пакетов или частота битовых ошибок. Качество обслуживания важно для мультимедийных приложений, работающих в режиме реального времени, таких как VoIP, многопользовательские онлайн-игры и IPTV, поскольку они часто требуют фиксированной битовой скорости и чувствительны к задержкам. Качество обслуживания особенно важно в сетях, где пропускная способность является ограниченным ресурсом, например, в сетях сотовой связи. Сеть или протокол, поддерживающий QoS, может согласовать соглашение о трафике с прикладным программным обеспечением и резервировать пропускную способность в узлах сети, например, в процессе установления соединения. В течение сеанса он может контролировать достигнутый уровень производительности, например, скорость передачи данных и задержку, и динамически управлять приоритетами планирования в узлах сети. Он может освободить зарезервированную пропускную способность в процессе завершения соединения. Сеть или сервис, работающая по принципу "best effort", не поддерживает качество обслуживания. Альтернативой сложным механизмам управления QoS является обеспечение высококачественной связи через сеть "best effort" путем избыточного выделения пропускной способности, чтобы она была достаточной для ожидаемой пиковой нагрузки. В результате отсутствие перегрузки сети снижает или устраняет необходимость в механизмах QoS. QoS иногда используется как мера качества, с множеством альтернативных определений, а не как возможность резервирования ресурсов. Качество обслуживания иногда относится к уровню качества обслуживания, то есть к гарантированному качеству обслуживания. Высокое QoS часто путают с высоким уровнем производительности, например, высокой битовой скоростью, низкой задержкой и низкой частотой битовых ошибок. QoS иногда используется в сервисах прикладного уровня, таких как телефония и потоковое видео, для описания метрики, которая отражает или предсказывает субъективно воспринимаемое качество. В этом контексте QoS представляет собой приемлемое совокупное влияние на удовлетворенность абонента всех недостатков, влияющих на сервис. Другими терминами с аналогичным значением являются качество восприятия (QoE), средний балл оценки (MOS), мера качества восприятия речи (PSQM) и мера оценки качества видео (PEVQ).

In the field of telephony, quality of service was defined by the ITU in 1994. In the field of computer networking and other packet switched telecommunication networks, teletraffic engineering refers to traffic prioritization and resource reservation control mechanisms rather than the achieved service quality. Quality of service is the ability to provide different priorities to different applications, users, or data flows, or to guarantee a certain level of performance to a data flow. For example, a required bit rate, delay, delay variation, packet loss or bit error rates may be guaranteed. Quality of service is important for real time streaming multimedia applications such as voice over IP, multiplayer online games and IPTV, since these often require fixed bit rate and are delay sensitive. Quality of service is especially important in networks where the capacity is a limited resource, for example in cellular data communication. A network or protocol that supports QoS may agree on a traffic contract with the application software and reserve capacity in the network nodes, for example during a session establishment phase. During the session it may monitor the achieved level of performance, for example the data rate and delay, and dynamically control scheduling priorities in the network nodes. It may release the reserved capacity during a tear down phase. A best effort network or service does not support quality of service. An alternative to complex QoS control mechanisms is to provide high quality communication over a best effort network by over provisioning the capacity so that it is sufficient for the expected peak traffic load. The resulting absence of network congestion reduces or eliminates the need for QoS mechanisms. QoS is sometimes used as a quality measure, with many alternative definitions, rather than referring to the ability to reserve resources. Quality of service sometimes refers to the level of quality of service, i. e. the guaranteed service quality. High QoS is often confused with a high level of performance, for example high bit rate, low latency and low bit error rate. QoS is sometimes used in application layer services such as telephony and streaming video to describe a metric that reflects or predicts the subjectively experienced quality. In this context, QoS is the acceptable cumulative effect on subscriber satisfaction of all imperfections affecting the service. Other terms with similar meaning are the quality of experience (QoE), mean opinion score (MOS), perceptual speech quality measure (PSQM) and perceptual evaluation of video quality (PEVQ).

История

Ряд технологий второго уровня, добавляющих теги QoS к данным, получили распространение в прошлом. Примерами служат Frame Relay, асинхронный режим передачи (ATM) и многопротокольная коммутация меток (MPLS) – технология, находящаяся между вторым и третьим уровнями. Несмотря на то, что эти сетевые технологии до сих пор используются, интерес к ним снизился после появления сетей Ethernet. Сегодня Ethernet является, безусловно, самой популярной технологией второго уровня. Традиционные интернет-маршрутизаторы и сетевые коммутаторы работают по принципу "как есть" (best effort). Это оборудование дешевле, проще и быстрее, и поэтому более популярно, чем более сложные технологии, обеспечивающие механизмы QoS. Ethernet может опционально использовать 802.1p для передачи информации о приоритете кадра. Изначально в заголовке каждого IP-пакета было предусмотрено четыре бита типа обслуживания и три бита приоритета, однако они обычно игнорировались. Позднее эти биты были переопределены как коды дифференцированных услуг (DSCP). С развитием IPTV и IP-телефонии механизмы QoS становятся все более доступными для конечных пользователей.

Механизмы

Сети с коммутацией каналов, особенно предназначенные для передачи голоса, такие как ATM или GSM, имеют механизмы обеспечения качества обслуживания (QoS) на уровне основного протокола. Ресурсы резервируются на каждом этапе сети во время установления соединения, поэтому нет необходимости в дополнительных процедурах для достижения требуемой производительности. Короткие пакеты данных и встроенная поддержка QoS были одними из ключевых преимуществ ATM для приложений, таких как видео по запросу. Если затраты на механизмы обеспечения QoS оправданы, клиенты и провайдеры сети могут заключать договорное соглашение, называемое соглашением об уровне обслуживания (SLA), которое определяет гарантии способности соединения обеспечивать заданную производительность с точки зрения пропускной способности или задержки, основанные на взаимно согласованных показателях.

Сверхприобретение

Альтернативой сложным механизмам управления качеством обслуживания является обеспечение высококачественной связи за счет значительного избыточного резервирования сети, чтобы пропускная способность основывалась на оценках пиковой нагрузки трафика. Этот подход прост для сетей с предсказуемыми пиковыми нагрузками. При расчете необходимо учитывать требовательные приложения, способные компенсировать колебания полосы пропускания и задержки с помощью больших буферов приема, что часто возможно, например, при потоковой передаче видео. Однако избыточное резервирование может оказаться малоэффективным в условиях транспортных протоколов (таких как TCP), которые со временем увеличивают объем данных, передаваемых по сети, пока не будет исчерпана вся доступная пропускная способность и не начнут теряться пакеты. Такие "жадные" протоколы, как правило, приводят к увеличению задержки и потерь пакетов для всех пользователей. Объем избыточного резервирования внутренних каналов, необходимый для замены QoS, зависит от количества пользователей и их потребностей в трафике, что ограничивает применимость избыточного резервирования. Появление новых, более требовательных к пропускной способности приложений и увеличение числа пользователей приводят к потере преимуществ избыточного резервирования. Это требует физической модернизации соответствующих сетевых каналов, что является дорогостоящей процедурой. Таким образом, нельзя слепо полагаться на избыточное резервирование в Интернете. Коммерческие VoIP-сервисы часто сопоставимы с традиционной телефонной связью по качеству связи, даже без использования механизмов QoS на участке подключения пользователя к интернет-провайдеру и подключения VoIP-провайдера к другому интернет-провайдеру. Однако при высокой нагрузке качество VoIP может снизиться до уровня сотовой связи или даже ниже. Математический анализ пакетного трафика показывает, что сети требуется всего на 60% больше пропускной способности при умеренных предположениях.

Усилия по IP и Ethernet

В отличие от сетей с одним владельцем, Интернет представляет собой серию точек обмена, соединяющих частные сети. Следовательно, ядро Интернета принадлежит и управляется рядом различных поставщиков сетевых услуг, а не единым субъектом. Его поведение гораздо менее предсказуемо. Существует два основных подхода к обеспечению QoS в современных IP-сетях с коммутацией пакетов: параметризованная система, основанная на обмене требованиями приложений с сетью, и приоритетизированная система, в которой каждый пакет идентифицирует желаемый уровень обслуживания для сети. Интегрированные услуги ("IntServ") реализуют параметризованный подход. В этой модели приложения используют протокол резервирования ресурсов (RSVP) для запроса и резервирования ресурсов в сети. Дифференцированные услуги ("DiffServ") реализуют приоритетизированную модель. DiffServ маркирует пакеты в соответствии с типом требуемой услуги. В ответ на эти метки маршрутизаторы и коммутаторы используют различные стратегии планирования для адаптации производительности к ожиданиям. Маркировка дифференцированных кодовых точек (DSCP) использует первые 6 бит в поле ToS (теперь переименованном в поле DS) заголовка IP-пакета (v4). На ранних этапах использовалась философия интегрированных услуг (IntServ) по резервированию сетевых ресурсов. В этой модели приложения использовали RSVP для запроса и резервирования ресурсов в сети. Хотя механизмы IntServ работают, стало понятно, что в широкополосной сети, типичной для крупного поставщика услуг, от магистральных маршрутизаторов потребуется принимать, поддерживать и отменять тысячи или даже десятки тысяч резервирований. Считалось, что этот подход не масштабируется с ростом Интернета и, в любом случае, противоречит принципу "end-to-end", концепции проектирования сетей таким образом, чтобы магистральные маршрутизаторы выполняли лишь пересылку пакетов с максимально возможной скоростью. В DiffServ пакеты маркируются либо источниками трафика, либо граничными устройствами, через которые трафик входит в сеть. В ответ на эти метки маршрутизаторы и коммутаторы используют различные стратегии постановки в очередь для адаптации производительности к требованиям. На уровне IP маркировка DSCP использует 6-битное поле DS в заголовке IP-пакета. На уровне MAC VLAN IEEE 802.1Q может использоваться для передачи 3 бит, по сути, той же информации. Маршрутизаторы и коммутаторы, поддерживающие DiffServ, настраивают свой сетевой планировщик для использования нескольких очередей для пакетов, ожидающих передачи через интерфейсы с ограниченной пропускной способностью (например, глобальные сети). Поставщики маршрутизаторов предоставляют различные возможности для настройки этого поведения, включая количество поддерживаемых очередей, относительные приоритеты очередей и пропускную способность, зарезервированную для каждой очереди. На практике, когда пакет должен быть перенаправлен с интерфейса с очередью, пакеты, требующие низкой задержки (например, VoIP или видеоконференции), получают приоритет перед пакетами в других очередях. Обычно часть пропускной способности по умолчанию выделяется пакетам управления сетью (таким как протокол ICMP и протоколы маршрутизации), а трафик с наилучшими усилиями получает оставшуюся пропускную способность. На уровне управления доступом к среде (MAC) VLAN IEEE 802.1Q и IEEE 802.1p могут использоваться для различения и классификации Ethernet-кадров. Модели теории очередей были разработаны для анализа производительности и QoS протоколов уровня MAC. Cisco IOS NetFlow и Cisco Class Based QoS (CBQoS) Management Information Base (MIB) продаются компанией Cisco Systems. Один из убедительных примеров необходимости QoS в Интернете связан с возникновением коллапса из-за перегрузки. Интернет полагается на протоколы предотвращения перегрузки, в основном встроенные в протокол управления передачей (TCP), для снижения трафика в условиях, которые в противном случае привели бы к коллапсу. Приложения QoS, такие как VoIP и IPTV, требуют в основном постоянной скорости передачи данных и низкой задержки, поэтому они не могут использовать TCP и не могут иным образом снижать скорость трафика для предотвращения перегрузки. Соглашения об уровне обслуживания ограничивают трафик, который может быть предложен в Интернет, и тем самым обеспечивают формирование трафика, которое может предотвратить его перегрузку, и, следовательно, являются неотъемлемой частью способности Интернета обрабатывать смесь трафика реального времени и нереального времени без коллапса.

Unlike single owner networks, the Internet is a series of exchange points interconnecting private networks. Hence the Internet's core is owned and managed by a number of different network service providers, not a single entity. Its behavior is much more unpredictable. There are two principal approaches to QoS in modern packet switched IP networks, a parameterized system based on an exchange of application requirements with the network, and a prioritized system where each packet identifies a desired service level to the network. Integrated services ("IntServ") implements the parameterized approach. In this model, applications use the Resource Reservation Protocol (RSVP) to request and reserve resources through a network. Differentiated services ("DiffServ") implements the prioritized model. DiffServ marks packets according to the type of service they desire. In response to these markings, routers and switches use various scheduling strategies to tailor performance to expectations. Differentiated services code point (DSCP) markings use the first 6 bits in the ToS field (now renamed as the DS field) of the IP(v4) packet header. Early work used the integrated services (IntServ) philosophy of reserving network resources. In this model, applications used RSVP to request and reserve resources through a network. While IntServ mechanisms do work, it was realized that in a broadband network typical of a larger service provider, Core routers would be required to accept, maintain, and tear down thousands or possibly tens of thousands of reservations. It was believed that this approach would not scale with the growth of the Internet, and in any event was antithetical to the end to end principle, the notion of designing networks so that core routers do little more than simply switch packets at the highest possible rates. Under DiffServ, packets are marked either by the traffic sources themselves or by the edge devices where the traffic enters the network. In response to these markings, routers and switches use various queuing strategies to tailor performance to requirements. At the IP layer, DSCP markings use the 6 bit DS field in the IP packet header. At the MAC layer, VLAN IEEE 802.1Q can be used to carry 3 bit of essentially the same information. Routers and switches supporting DiffServ configure their network scheduler to use multiple queues for packets awaiting transmission from bandwidth constrained (e. g., wide area) interfaces. Router vendors provide different capabilities for configuring this behavior, to include the number of queues supported, the relative priorities of queues, and bandwidth reserved for each queue. In practice, when a packet must be forwarded from an interface with queuing, packets requiring low jitter (e. g., VoIP or videoconferencing) are given priority over packets in other queues. Typically, some bandwidth is allocated by default to network control packets (such as Internet Control Message Protocol and routing protocols), while best effort traffic might simply be given whatever bandwidth is left over. At the medium access control (MAC) layer, VLAN IEEE 802.1Q and IEEE 802.1p can be used to distinguish between Ethernet frames and classify them. Queueing theory models have been developed on performance analysis and QoS for MAC layer protocols. Cisco IOS NetFlow and the Cisco Class Based QoS (CBQoS) Management Information Base (MIB) are marketed by Cisco Systems. One compelling example of the need for QoS on the Internet relates to congestive collapse. The Internet relies on congestion avoidance protocols, primarily as built into Transmission Control Protocol (TCP), to reduce traffic under conditions that would otherwise lead to congestive collapse. QoS applications, such as VoIP and IPTV, require largely constant bitrates and low latency, therefore they cannot use TCP and cannot otherwise reduce their traffic rate to help prevent congestion. Service level agreements limit traffic that can be offered to the Internet and thereby enforce traffic shaping that can prevent it from becoming overloaded, and are hence an indispensable part of the Internet's ability to handle a mix of real time and non real time traffic without collapse.

Общее качество обслуживания

Для обеспечения качества обслуживания от одного конца к другому может потребоваться метод координации распределения ресурсов между одной автономной системой и другой. Internet Engineering Task Force (IETF) определила протокол резервирования ресурсов (RSVP) для резервирования полосы пропускания в качестве предлагаемого стандарта в 1997 году. RSVP – это протокол резервирования полосы пропускания и контроля доступа. RSVP не получил широкого распространения из-за ограничений масштабируемости. Более масштабируемая версия, предназначенная для управления трафиком, RSVP TE, используется во многих сетях для установления коммутируемых каналов с использованием многопротокольной коммутации по меткам (MPLS). IETF также определил протокол Next Steps in Signaling (NSIS) с сигнализацией QoS в качестве целевого направления. NSIS является развитием и упрощением RSVP. Исследовательские консорциумы, такие как "поддержка сквозного качества обслуживания в гетерогенных сетях" (EuQoS, с 2004 по 2007 год) и форумы, такие как IPsphere Forum, разработали дополнительные механизмы для согласования вызова QoS между доменами. IPsphere определила шину сигнализации Service Structuring Stratum (SSS) для установления, вызова и (попытки) обеспечения сетевых сервисов. EuQoS провела эксперименты по интеграции протокола инициирования сеанса (SIP), Next Steps in Signaling и SSS от IPsphere с оценочной стоимостью около 15,6 миллионов евро и опубликовала книгу. Исследовательский проект Multi Service Access Everywhere (MUSE) определил другую концепцию QoS на первом этапе с января 2004 года по февраль 2006 года, а на втором этапе – с января 2006 года по 2007 год. Еще один исследовательский проект под названием PlaNetS был предложен для европейского финансирования примерно в 2005 году. Более масштабный европейский проект под названием "Архитектура и проектирование для будущего Интернета", известный как 4WARD, имел бюджет, оцениваемый в 23,4 миллиона евро, и финансировался с января 2008 года по июнь 2010 года. Он включал в себя тематическое направление "Качество обслуживания" и результатом стало издание книги. Другой европейский проект под названием WIDENS (Wireless Deployable Network System) предложил подход к резервированию полосы пропускания для мобильных беспроводных многоскоростных ad-hoc сетей.

End to end quality of service can require a method of coordinating resource allocation between one autonomous system and another. The Internet Engineering Task Force (IETF) defined the Resource Reservation Protocol (RSVP) for bandwidth reservation as a proposed standard in 1997. RSVP is an end to end bandwidth reservation and admission control protocol. RSVP was not widely adopted due to scalability limitations. The more scalable traffic engineering version, RSVP TE, is used in many networks to establish traffic engineered Multiprotocol Label Switching (MPLS) label switched paths. The IETF also defined Next Steps in Signaling (NSIS) with QoS signalling as a target. NSIS is a development and simplification of RSVP. Research consortia such as "end to end quality of service support over heterogeneous networks" (EuQoS, from 2004 through 2007) and fora such as the IPsphere Forum developed more mechanisms for handshaking QoS invocation from one domain to the next. IPsphere defined the Service Structuring Stratum (SSS) signaling bus in order to establish, invoke and (attempt to) assure network services. EuQoS conducted experiments to integrate Session Initiation Protocol, Next Steps in Signaling and IPsphere's SSS with an estimated cost of about 15.6 million Euro and published a book. A research project Multi Service Access Everywhere (MUSE) defined another QoS concept in a first phase from January 2004 through February 2006, and a second phase from January 2006 through 2007. Another research project named PlaNetS was proposed for European funding circa 2005. A broader European project called "Architecture and design for the future Internet" known as 4WARD had a budget estimated at 23.4 million Euro and was funded from January 2008 through June 2010. It included a "Quality of Service Theme" and published a book. Another European project, called WIDENS (Wireless Deployable Network System), proposed a bandwidth reservation approach for mobile wireless multirate adhoc networks.

Ограничения

Сильные сетевые протоколы криптографии, такие как Secure Sockets Layer, I2P и виртуальные частные сети, скрывают данные, передаваемые с их помощью. Поскольку вся электронная коммерция в Интернете требует использования таких сильных криптографических протоколов, одностороннее снижение производительности зашифрованного трафика создает неприемлемый риск для клиентов. Однако зашифрованный трафик в обычных условиях не поддается глубокой инспекции пакетов для обеспечения QoS. Протоколы, такие как ICA и RDP, могут инкапсулировать другой трафик (например, печать, потоковое видео) с различными требованиями, что может затруднить оптимизацию. В 2001 году проект Internet2 обнаружил, что протоколы QoS, вероятно, не могли быть внедрены в его сети Abilene с использованием доступного в то время оборудования. Группа предсказала, что «логистические, финансовые и организационные барьеры заблокируют путь к любым гарантиям полосы пропускания» посредством модификаций протоколов, направленных на QoS. Они полагали, что экономические факторы будут стимулировать сетевых провайдеров намеренно ухудшать качество трафика, чтобы подтолкнуть клиентов к более дорогим услугам QoS. Вместо этого они предложили избыточное выделение ресурсов как более экономически эффективное решение на тот момент. Показания Бачулы были использованы сторонниками закона о запрете качества обслуживания в качестве доказательства того, что подобные предложения не преследуют законных целей. Этот аргумент основан на предположении, что избыточное выделение ресурсов не является формой QoS и что оно всегда возможно. Стоимость и другие факторы влияют на способность операторов создавать и поддерживать постоянно избыточно выделенные сети.

Мобильная (сотовая) QoS

Провайдеры услуг сотовой связи могут предлагать мобильное качество обслуживания (QoS) своим клиентам, подобно тому, как провайдеры услуг фиксированной общедоступной телефонной сети и интернет-провайдеры могут предлагать QoS. Механизмы QoS всегда предоставляются для услуг с коммутацией каналов и необходимы для неэластичных услуг, например, потокового мультимедиа. Мобильность вносит дополнительные сложности в механизмы QoS. Телефонный звонок или другая сессия могут быть прерваны после передачи обслуживания, если новая базовая станция перегружена. Непредсказуемость передачи обслуживания делает невозможным предоставление абсолютной гарантии QoS на этапе инициализации сеанса.

Стандарты

Качество обслуживания в области телефонии впервые было определено в 1994 году в Рекомендации ITU-T E.800. Это определение очень широкое и включает 6 основных компонентов: поддержка, работоспособность, доступность, сохраняемость, целостность и безопасность. В 1998 году ITU опубликовала документ, посвященный QoS в области сетей передачи данных. X.641 предлагает средства для разработки или улучшения стандартов, связанных с QoS, а также концепции и терминологию, которые должны способствовать обеспечению согласованности соответствующих стандартов. Некоторые RFC IETF, связанные с QoS, – это , и ; оба они обсуждались выше. IETF также опубликовала два RFC, предоставляющих базовую информацию о QoS: , и . IETF также опубликовала как информационный документ или документ с рекомендациями по лучшим практикам, касающийся практических аспектов проектирования решения QoS для сети DiffServ. В документе предпринимается попытка определить приложения, обычно используемые в IP-сети, сгруппировать их по классам трафика, изучить требования к обработке этих классов сетью и предложить, какие из механизмов QoS, обычно доступных в маршрутизаторах, могут быть использованы для реализации этой обработки.