Системы обеспечения качества обслуживания, основанные на резервировании

Система обеспечения качества обслуживания имеет распределенный характер, так как ее элементы должны присутствовать на всех сетевых устройствах, про­двигающих пакеты: коммутаторах, маршрутизаторах, серверах. С другой сто­роны, работу отдельных сетевых устройств по поддержанию характеристик QoS нужно координировать, чтобы качество обслуживания было однородным вдоль всего пути, по которому следуют пакеты потока. Поэтому служба QoS должна включать также элементы централизованного управления, с помощью которых администратор сети мог бы согласованно конфигурировать механизмы поддер­жания характеристик QoS в отдельных устройствах сети.

Система обеспечения качества обслуживания, базирующаяся на резервировании ресурсов, состоит из подсистем нескольких типов (рис. 7.13):

□ механизмов обслуживания очередей;

□ протокола резервирования ресурсов;

□ механизмов кондиционирования трафика.

Рис. 7.13. Архитектура системы обеспечения качества обслуживания, основанная на резервировании ресурсов

Механизмы обслуживания очередей используются в периоды временных пере­грузок. При этом обычно применяются комбинации приоритетной очереди с оче­редями с взвешенным обслуживанием.

Протокол резервирования ресурсов нужен для автоматизации процедуры ре­зервирования на всем пути следования некоторого потока, то есть «из конца в конец». Протокол резервирования является аналогом протоколов установления соединения в сетях с коммутацией каналов, поэтому он иногда называется сиг­нальным протоколом, в соответствии с терминологией, принятой для этого типа сетей.

Сообщения протокола резервирования ресурсов делают два «прохода» по сети. Сначала источник генерирует сообщение, которое проходит сеть в прямом на­правлении до приемника информации. В этом сообщении протокола резерви­рования содержится так называемый профиль трафика, то есть такие его харак­теристики, как средняя скорость, параметры пульсации, а также требования к качеству обслуживания, например к уровню задержек. На основании этого про­филя и требований QoS каждый коммутатор на пути следования потока прини­мает решение о возможности или невозможности выполнить резервирование для этого потока. Если он «соглашается» выполнить резервирование, то сообщение передается дальше, а коммутатор делает отметки о параметрах проведенного резервирования. Если все коммутаторы вдоль маршрута согласны с запрошен­ными параметрами резервирования, то последний коммутатор передает новое сообщение протокола резервирования в обратном направлении. При прохожде­нии этого сообщения каждый коммутатор фиксирует параметры резервирова­ния для данного потока.

Инициировать работу сигнального протокола может не только конечный узел, но и промежуточное устройство. В этом случае гарантированное обслуживание потока будет выполняться не на всем пути следования трафика, а только в пре­делах определенного участка сети, что, конечно, снижает качество обслуживания трафика.

Протокол резервирования ресурсов позволяет выполнять резервирование как для отдельных потоков, так и для классов трафика. Принципы его работы в обоих случаях остаются одинаковыми. Однако инициатором резервирования ресурсов для класса трафика является не конченый узел, которого интересует собствен­ный поток, а один из коммутаторов сети. Таким коммутатором чаще всего стано­вится пограничный коммутатор сети поставщика услуг, который принимает по­токи различных пользователей.

В сетях с виртуальными каналами функции протокола резервирования ресурсов обычно выполняет протокол установления виртуального канала — это является его дополнительной задачей. В дейтаграммных сетях протокол резервирования является самостоятельным протоколом. Примером такого протокола является протокол резервирования ресурсов (ReSource reservation Protocol, RSVP), ко­торый работает в IP-сетях. Резервирование может выполняться и вручную адми­нистратором сети, который должен сконфигурировать параметры резервирова­ния для каждого потока в каждом коммутаторе сети.

Механизмы кондиционирования трафика следят за тем, чтобы текущие пара­метры потоков соответствовали заявленным при резервировании. Это своего рода контрольно-пропускные пункты, которые проверяют трафик на входе в комму­татор. Без таких механизмов невозможно выполнение гарантий обслуживания трафика. Если средние скорости потоков или пульсации превысят тот уровень, который был указан при резервировании, то задержки и потери пакетов выше допустимых. Такое превышение может произойти по разным причинам. Скажем, потому, что достаточно трудно точно оценить параметры трафика. Предваритель­ные измерения средней скорости и пульсации могут не дать правильного резуль­тата, потому что эти характеристики могут меняться с течением времени, и через неделю они уже не будут соответствовать действительности. Кроме того, нельзя исключать умышленного искажения характеристик трафика, что возможно при использовании коммерческих услуг.

Механизм кондиционирования трафика обычно выполняет несколько функций.

□ Классификация трафика. Эта функция выделяет из общей последовательно­сти пакетов, поступающих в устройство, пакеты одного потока, имеющего об­щие требования к качеству обслуживания. В сетях с виртуальными каналами признаком потока является метка виртуального пути, поэтому дополнитель­ной классификации не требуется. В дейтаграммных сетях такого признака, как правило, нет, поэтому классификация выполняется на основе нескольких формальных признаков пакета — адресов источника и назначения, идентифи­каторов приложений и т. п. Без классификации пакетов в дейтаграммных се­тях невозможно обеспечить требуемое качество обслуживания.

□ Профилирование трафика. Для каждого входного потока в каждом коммута­торе имеется соответствующий ему набор параметров QoS, то есть профиль трафика. Профилирование трафика подразумевает проверку соответствия ка­ждого входного потока параметрам его профиля. Существуют алгоритмы, ко­торые позволяют выполнить такую проверку автоматически в темпе поступ­ления пакетов на входной интерфейс коммутатора. Примерами алгоритмов профилирования являются алгоритмы «дырявого ведра» и «ведра маркеров». Эти алгоритмы будут рассмотрены при изучении отдельных технологий, та­ких как IP, Frame Relay и ATM.

В случае нарушения параметров профиля (например, превышения длитель­ности пульсации или средней скорости) происходит отбрасывание или мар­кировка пакетов этого потока. Отбрасывание некоторых пакетов снижает ин­тенсивность потока и приводит его параметры в соответствие с указанными в профиле. Маркировка пакетов без отбрасывания нужна для того, чтобы паке­ты все же были обслужены данным узлом (или последующими по потоку), но с качеством обслуживания, отличным от указанного в профиле (например, с увеличенным значением задержки).

□ Формирование трафика (shaping). Эта функция предназначена для при­дания прошедшему профилирование трафику нужной временной «формы». В основном с помощью данной функции стремятся сгладить пульсации тра­фика, чтобы пакеты на выходе устройства появлялись более равномерно, чем на входе. Сглаживание пульсаций сократит очереди в сетевых устройствах, которые будут обрабатывать трафик далее по потоку. Его также целесообраз­но использовать для восстановления временных соотношений трафика при­ложений, работающих с равномерными потоками, например голосовых при­ложений.

Механизмы кондиционирования трафика могут поддерживаться каждым узлом сети или реализовываться только в пограничных устройствах. Последний вари­ант часто используют поставщики услуг, кондиционируя трафик своих кли­ентов.

Существует принципиальное отличие поведения описанной системы для обеспе­чения средней скорости потока, с одной стороны, и для обеспечения требуемых порогов задержек и вариаций задержек, с другой стороны.

Требуемое значение средней скорости обслуживания обеспечивается за счет кон­фигурирования выделяемого процента пропускной способности при взвешенном обслуживании. Поэтому сеть может выполнить запрос на любое значение сред­ней скорости для потока, если оно не превышает свободной пропускной способ­ности ресурсов сети вдоль этого потока.

Однако сеть не может сконфигурировать алгоритм приоритетного обслуживания так, чтобы он строго обеспечил какой-либо заранее заданный порог задержек и их вариации. Направление пакетов в приоритетную очередь только позволяет гарантировать, что задержки будут достаточно низкими — существенно меньше, чем у пакетов, которые обрабатываются по алгоритму взвешенного обслужива­ния. Но аналитически оценить количественные значения задержек очень слож­но. Каким же образом поставщик услуг может выполнить свои обязательства пе­ред клиентами?

Как правило, решение данной проблемы основывается на измерении трафика в сети. Поставщик услуг должен организовать приоритетное обслуживание тра­фика с одной или несколькими приоритетными очередями, измеряя задержки реального трафика и обрабатывая результаты статистическими методами. Это означает, что он должен строить гистограммы распределения задержек для раз­личных путей следования потоков и определять средние задержки, средние ва­риации, максимальные задержки и максимальные вариации для каждого класса трафика, чувствительного к задержкам. На основании этих характеристик по­ставщик выбирает некоторые предельные значения характеристик QoS, которые он может гарантировать своим клиентам. Обычно такие предельные значения выбираются с некоторым запасом, чтобы при появлении некоторого количества новых клиентов сеть могла соблюдать заявленные гарантии.