Лекция 11 Качество обслуживания в IP сетях

Цель лекции: ознакомление с качеством обслуживания в IP сетях.

Сети с коммутацией пакетов на основе протокола IP не обеспечивают гарантированной пропускной способности, поскольку не гарантируют доставку. 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 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 QoS (Quality of Service).

Рассматриваемыми показателями качества являются:

- изменение задержки в сети;

- пропускная способность сети.

Время отклика оценивается по:

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

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

- пропускной способности.

Готовность и надежность оценивается по:

- возможности получения доступа к ресурсам сети или коэффициенту использования;

- результатам контроля уровня обслуживания при режиме работы 24 часа в сутки, 7 дней в неделю.

Меры обеспечения QoS, применяемые в IP-сетях:

- резервирование ресурсов (на время соединения запрашиваются и резервируются необходимые для выполнения приложения ресурсы);

- приоритезация трафика (разделение трафика в сети на классы с приоритетным порядком обслуживания некоторых из них);

- перемаршрутизация (позволяет при перегрузке в сети перевести трафик на резервный маршрут).

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

В Рекомендации Y.1540 следующие сетевые характеристики, как наиболее важные по степени их влияния на сквозное качество обслуживания(от источника до получателя), оцениваемое пользователем:

- производительность сети [9];

- надежность сети/сетевых элементов;

- задержка;

- вариация задержки (джиттер);

- потери пакетов.

Производительность сети (или скорость передачи данных) пользователя определяется как эффективная скорость передачи, измеряемая в битах в секунду. Значение этого параметра не совпадает с максимальной пропускной способностью сети. Минимальное значение производительности обычно гарантируется провайдером услуг, который, в свою очередь, должен иметь соответствующие гарантии от сетевого провайдера.

Пользователи обычно ожидают высокий уровень надежности от систем связи. Надежность сети может быть определена через ряд параметров, из которых наиболее часто используется коэффициент готовности, вычисляемый как отношение времени простоя объекта к суммарному времени наблюдения объекта, включающему время простоя и время между отказами. В идеальном случае коэффициент готовности должен быть равен 1, что означает стопроцентную готовность сети.

Рекомендация МСЭ-ТY.1540 определяет параметры, характеризующие доставкуIP-пакетов. Задержка доставки пакета IP (IP packet transfer delay, IPTD). Параметр IPTD определяется как время (t2 – t1) между двумя событиями – вводом пакета во входную точку сети в момент t1 и выводом пакета из выходной точки сети в момент t2, где (t2> t1) и (t2 - t1) = Tmах.

В общем, параметр IPTD определяется как время доставки пакета между источником и получателем для всех пакетов – как успешно переданных, так и пораженных ошибками. Средняя задержка доставки пакета IP – параметр, специфицированный в Y.1540, определяется как средняя арифметическая величина задержек пакетов в выбранном наборе переданных и принятых пакетов. Значение средней задержки зависит от передаваемого в сети трафика и доступных сетевых ресурсов, в частности, от пропускной способности. Рост нагрузки и уменьшение доступных сетевых ресурсов ведут к росту очередей в узлах сети и увеличению средних задержек доставки пакетов. Речевая информация и, отчасти, видеоинформация являются примерами трафика, чувствительного к задержкам, тогда как приложения данных в основном менее чувствительны к задержкам. Когда задержка доставки пакета превышает определенные значения Тmах, такие пакеты отбрасываются. В приложениях реального времени (например, в IP-телефонии) это ведет к ухудшению качества речи. Ограничения, связанные со средней задержкой пакетов IP, играют ключевую роль для успешного внедрения технологии VoIP, видео-конференций и других приложений реального времени. Этот параметр во многом будет определять готовность пользователей принять подобные приложения.

Вариация задержки пакета IP (IP packet delay variation, IPDV). Параметр V_k, характеризует вариацию задержки IPDV. Для IP-пакета с индексом k этот параметр определяется между входной и выходной точками сети в виде разности между абсолютной величиной задержки X_k при доставке пакета с индексом k, и определенной эталонной(или опорной) величиной задержки доставки пакета IP, dl,2, для тех же сетевых точек: V_k= X_k– d_1,2.

Эталонная задержка доставки пакета IP, d_1,2, между источником и получателем определяется как абсолютное значение задержки доставки первого пакета IP между данными сетевыми точками. Вариация задержки пакета IP, или джиттер, проявляется в том, что последовательные пакеты прибывают к получателю в нерегулярные моменты времени. В системах IP-телефонии это, к примеру, ведет к искажениям звука и в результате к тому, что речь становится неразборчивой.

Коэффициент потери пакетов IP (IP packet loss ratio, IPLR). Коэффициент IPLR определяется как отношение суммарного числа потерянных пакетов к общему числу принятых в выбранном наборе переданных и принятых пакетов. Потери пакетов в сетях IP возникают в том случае, когда значение задержек при их передаче превышает нормированное значение, определенное выше как Тmах. Если пакеты теряются, то при передаче данных возможна их повторная передача по запросу принимающей стороны. В системах VoIP пакеты, пришедшие к получателю с задержкой, превышающей Тmах, отбрасываются, что ведет к провалам в принимаемой речи. Среди причин, вызывающих потери пакетов, необходимо отметить рост очередей в узлах сети, возникающих при перегрузках.

Коэффициент ошибок пакетов IP (IP packet error ratio, IPER). КоэффициентIPER определяется как суммарное число пакетов, принятых с ошибками, к сумме успешно принятых и пакетов, принятых с ошибками.

РекомендацияY.1540 определяет численные значения параметров, значения параметров приведены в таблице 11.1.

Таблица 11.1 – Нормы для характеристик сетей IP-телефонии

Харак -ки	Классы QoS
0, мс	1, мс	2, мс	3, мс	4, с
IPTD						Не норм.
IPDV			Не норм.	Не норм.	Не норм.	Не норм.
IPLR	1х10-3	1х10-3	1х10-3	1х10-3	1х10-3	Не норм.
IPER	1х10-4	1х10-4	1х10-4	1х10-4	1х10-4	Не норм.

Y.1541 устанавливает соответствие между классами QoS и приложениями:

- класс 0 – приложения реального времени, чувствительные к джиттеру, характеризуемые высоким уровнем интерактивности (VoIP, видеоконференции);

- класс 1 – приложения реального времени, чувствительные к джиттеру, интерактивные (VoIP, видеоконференции);

- класс 2 – транзакции данных, характеризуемые высоким уровнем интерактивности (например, сигнализация);

- класс 3 – транзакции данных, интерактивные;

- класс 4 – приложения, допускающие низкий уровень потерь(короткие транзакции, массивы данных, потоковое видео);

- класс 5 – традиционные применения сетей IP.