Skip navigation
IDG.bg PC World Computerworld CIO CFO Networkworld Business How Кариерна зона
вход регистрация бюлетини

Управление на пропусквателната способност

Networkworld България - брой 2, 2008 г. / Корпоративни мрежи
2048 прочитания, 0

Механичното повишаване на пропусквателната способност на мрежата вече не е гаранция за това, че разнообразните приложения, работещи в мрежата, ще получат необходимото обслужване. Нужни са нови механизми за качество на услугите, отчитащи многообразието от изисквания, които приложенията предявяват към мрежата.

Приложенията са основна движеща сила за развитие на мрежата. В отговор на техните постоянно растящи изисквания към пропусквателната способност на мрежата се появяват високоскоростни технологии. Възникването на нови видове трафик, например от IP телефония, аудио- и видеопредавания, доведе до необходимостта от осигуряване в компютърната мрежа на ниско ниво на закъснение на пакетите, поддръжка на групова доставка на пакети и т.н.

Изисквания на различните типове приложения

Трафикът от различни приложения е достатъчно ясно класифициран. Като основни критерии са приети три характеристики: относителна предсказуемост на скоростта на предаване на данни, допустимост на закъснението на пакети, чувствителност към загубата и повредата на пакети.

По предсказуемост на скоростта на трафика приложенията се делят на два големи класа: с трафик във вид на равномерен поток (Stream) и с нерегулярен трафик (Burst). Първият клас приложения се характеризират с висока степен на предсказуемост на генерирания трафик, затова той има повече или по-малко постоянна скорост (Constant Bit Rate, CBR). Скоростта на потока може да се изменя, но горната граница е предопределена. Например аудиопоток от данни се отнася към клас CBR и за елементарен гласов поток горната граница е равна на 64 Kbps.

Вторият клас се отличава с висока степен на непредсказуемост, когато периодите на бездействие се сменят с активност, съответстваща на пращането на големи „блокове данни“. Такъв трафик се характеризира с променлива скорост на битовете (Variable Bit Rate, VBR). Така при работа на файловата услуга интензивността на трафика може да нарасне от нула, когато не се предават файлове до безкрайност, когато след подаване на заявка с информация за местонахождението на файла приложението изисква да получи данните колкото се може по-бързо. Строго погледнато всички приложения генерират нерегулярен трафик, включително и поточен. Просто коефициентът на нерегулярност (т.е. отношението на максималната мигновена скорост към средната) при тези два типа приложения се различава значително. При приложения с нерегулярен трафик този коефициент обикновено е в диапазона от 10:1 до 100:1, докато при поточните приложения тези стойности са доста по-малки.

Друг критерий за класифициране на приложения по тип трафик е тяхната възприемчивост към закъснението на пакети. Ще дадем основните типове приложения във възходящ ред на този показател:

  • асинхронните приложения практически не налагат ограничения на времезакъснението („еластичен“ трафик), например електронна поща;
  • синхронните приложения са чувствителни към закъснението, но го допускат;
  • интерактивните приложения се отличават с това, че закъсненията могат да бъдат забелязани от потребителя, но не оказват негативно влияние върху работата на приложенията, например при работа с отдалечени файлове в текстови редактор;
  • изохронните приложения имат праг на чувствителност към закъснението, при чието превишаване функционалността на приложението се понижава, например при надхвърляне на закъснението със 100 - 150 msec рязко се влошава качеството на възпроизвежданата реч;
  • свръхчувствителните към закъснението приложения са нетърпими към него, тъй като то свежда до нула тяхната функционалност, например по време на управление на технически обект в реално време при закъснение на управляващия сигнал може да настъпи авария.

Общо казано, интерактивното приложение винаги е по-чувствително към закъснението от неинтерактивния му аналог. Радиоразпръскването на аудиоинформация е способно да „издържи“ на значителни закъснения при предаване на пакетите, а интерактивният телефонен разговор не ги търпи.

И, накрая, третият критерий при класифициране на приложенията е тяхната чувствителност към загубата на пакети. По този критерий приложенията обикновено се делят на две групи — чувствителни към загубите и нечувствителни към тях. Към първите се отнасят практически всички приложения, предаващи буквено-цифрови данни (текстови документи, кодове на програми, числови масиви и т.н.), те не допускат загубата на отделни, дори малки фрагменти от данни. Такива загуби често водят до обезценяване на останалата успешно приета информация и липсата дори на един байт в кода на програмата я превръща в неработоспособна. Всички традиционни мрежови приложения (файлови услуги, бази данни, електронна поща и т.н.) се отнасят към този тип приложения.

Вторият тип приложения обединяват програми, трафикът от които носи информация за инерционни физически процеси. Устойчивостта към загуби се обяснява с това, че неголям брой липсващи данни може да се възстанови с помощта на приетите. Така при загубата на един пакет с няколко последователни замервания на гласа липсващите стойности могат да бъдат заменени чрез апроксимация на базата на съседните стойности. Към такъв тип приложения се отнасят повечето мултимедийни приложения (аудио- и видеопрограми). Все пак устойчивостта към загуби има граници, затова броят на загубените пакети не бива да надхвърля 1%. Всъщност далеч не всеки мултимедиен трафик е устойчив към загубата на данни, в частност компресирания глас или видеоизображение са силно чувствителни към загубите, затова се класифицират в първия тип приложения.

Трите споменати характеристики са независими. Приложение с равномерен поток може да бъде както асинхронно, така и синхронно, а синхронното приложение — както чувствително, така и нечувствително към загубата на пакети. Все пак практиката показва, че повечето използвани приложения се описват с няколко възможни комбинации. Например комбинацията „равномерен поток, изохронност, устойчивост към загуби“ съответства на популярни приложения като IP телефония, видеоконференции и аудиоизлъчване през Интернет. От друга страна, за редица съчетания от характеристики трудно може да се даде пример на реално приложение, например: „равномерен поток, асинхронност, чувствителност към загуби“. Устойчивите съчетания от характеристики не са толкова много. При стандартизация на технологията ATM бяха определени четири класа приложения: A, B, C и D. Освен това за всички приложения, непопадащи нито в един клас, е определен клас X, в който може да има произволно съчетание от характеристики.

Дадената класификация на приложенията лежи в основата на типовите изисквания към параметрите и механизмите на качеството на обслужване в съвременните мрежи.

Параметри на качеството на обслужване

На трите критерия за класификация на приложенията съответстват 3 групи параметри за определяне и задаване на необходимото качество на обслужване:

  • параметри за пропускателната способност — средна, максимална (пикова) и минимална;
  • параметри на закъснението — средна и максимална стойност на закъснението, а също средно и максимално значение на неговото вариране, т.е. отклонение на междупакетните интервали в пристигащия трафик в сравнение с изпратения;
  • параметри за надеждност на предаването — брой загубени, а също повредени пакети/.

При определяне на всички тези параметри е важно за какъв период се измерва всеки от тях. Колкото е по-кратък, толкова по-строги са изискванията към качеството на обслужване и толкова по-трудно се поддържат. Затова доставчиците с IP мрежи предпочитат да указват в споразуменията SLA средномесечни стойности, тъй като често им е трудно да осигуряват QoS. В същото време доставчиците с мрежи frame relay и ATM, разполагащи с мощни QoS средства, са способни да гарантират изискваните параметри на качеството на обслужване с осреднен период няколко секунди.

От една страна, параметрите на качеството на обслужване могат да бъдат отнесени към трафика, породен от клиентските приложения. От друга, тези параметри показват способността на мрежата за обслужване на дадения трафик. Ако например потребителят има приложение, което поражда равномерен поток с постоянна скорост N. При сключване на SLA договор с доставчика той поема и задължението, че изпращания в мрежата трафик няма да превишава максималната скорост N. Операторът, на свой ред, гарантира, че минималната стойност на пропускателната способност, предоставяна от мрежата на това приложение, няма да бъде по-малка от N. Така се обезпечава приемливо качество на обслужването на трафика за даденото приложение.

За приложения с нерегулярен трафик качеството на обслужване се характеризира със средна скорост за определен период и максимална скорост в период на активно предаване. Обикновено се уговаря или най-големият период на активност, в течение на който на приложението е разрешено да предава данни с максимална скорост, или се ограничава обемът данни, който може да предаде във вид на пакети. Често се задава не само максималната, а и минималната граница на скоростта. В този случай на приложението се гарантира пропусквателна способност на нивото на минималната стойност, за да може то да работи удовлетворително, като при това приложението не е длъжно да изпраща в мрежата трафик със скорост, надхвърляща установения предел.

Модел на QOS услуги

Базовата архитектура за QoS услугите включват елементи от три основни типа (вж. Фигура 1):

  • QoS средствата на възела обработват постъпващия трафик в съответствие с изискванията за качество на обслужване;
  • протоколите за QoS сигнализация служат за координиране на работата на мрежовите елементи с цел обезпечаване качество на обслужването „от край до край“;
  • централизираните функции за политика, управление и отчитане на QoS позволяват на администраторите на мрежата да въздействат върху мрежовите елементи и да разпределят ресурсите на мрежата между различните видове трафик с необходимо ниво на QoS.

QoS средствата във възела са основен изпълнителен механизъм за QoS услугите, тъй като именно те въздействат върху процеса на пренос на пакетите между входните и изходните интерфейси на комутаторите и маршрутизаторите.

Тези средства могат да включват елементи от два типа:

  • механизми за обслужване на опашки;
  • механизми за ограничаване („моделиране“) на трафика.

Механизмите за обслужване на опашки са необходим елемент от всяко устройство, в което се използва комутация на пакети. Те могат да поддържат различни алгоритми за обработка на пакети, попаднали в опашките, от най-простите подобни на FIFO (когато най-напред се обслужва първият постъпил) до доста по-сложни, поддържащи обработка на няколко класа потоци, например алгоритми за приоритетно или претеглено обслужване. По подразбиране в мрежовите устройства действат алгоритми за обслужване на опашките тип FIFO, но той е достатъчен само за реализира на услуга „според възможностите“ (Best Effort), а за поддръжка на „истински“ QoS услуги са нужни по-сложни механизми.

С тази цел в мрежовия възел могат да бъдат внедрени механизми за „моделиране“ на трафика. Поддържането на необходимото качество на обслужване винаги означава, че скоростта на препращане на трафика от възела се съгласува със скоростта на неговото постъпване в него. Опашките възникват, когато постъпилият трафик е по-голям, отколкото възелът е в състояние да обработи. В този момент се задействат механизмите за обслужване на опашките и позволяват да се смекчи тяхното въздействие върху потока данни. Те се реализират по такъв начин, че закъснението да не се отрази върху параметрите на потока. Механизмите за „ограничаване“ на трафика решават задачата за създаване на условия за качествено обслужване на трафика с други методи - за сметка на намаляване на скоростта на постъпване на потока в дадения възел до такава степен, че тя винаги да бъде по-малка от скоростта на препращане на потока.

Тези механизми обикновено предполагат изпълнение на няколко функции.

Класифициране на трафика. Тази функция позволява да се отделят пакетите от един поток, които имат общи изисквания към качеството на обслужване. Класифицирането може да стане на базата на различни формални признаци на пакета – адрес на изпращача и получателя, портове TCP/UDP, приоритет на пакета, етикети на потока (във версия IPv6).

Профилиране на трафика на базата на правила (policing). За всеки входящ поток има съответстващ набор от QoS параметри, който често се нарича профил на трафика. Профилирането на трафика предвижда проверка на съответствието на всеки входящ поток към параметрите на неговия профил. В случай на нарушение на тези параметри (например надвишаване на превишаване продължителността на активност или на средната скорост) пакетите от потока се отделят или маркират. Извадените части от пакетите понижават интензивността на потока и привеждат неговите параметри в съответствие с указаните в профила. Маркирането на пакетите без тяхното отделяне се прилага, когато пакетите все пак могат да бъдат обслужени от дадения възел (или следващите), но качеството на обслужване ще се различава от указаното в профила (например по-голямо закъснение). За проверка на съответствието на входящия трафик към зададения профил механизмът за моделиране измерва параметрите на потока с помощта на един от известните алгоритми, например алгоритъм „пробито ведро“ (leaky bucket) или по-гъвкавия GCRA (използван в ATM).

Формиране на трафика (shaping). Тази функция е предназначена, за да се придаде нужната временна „форма“ на преминалия профилиран трафик. По принцип тя се използва за изглаждане на нерегулярния трафик, така че на изхода от устройството потокът да е по-равномерен отколкото на входа. Изглаждането намалява опашките в следващите мрежови устройства, обработващи трафика. Освен това то може да се прилага за възстановяване на времеви съотношения на трафика от приложения, генериращи равномерни потоци, например гласови приложения.

Механизмите за моделиране на трафика могат да се поддържат от всеки мрежов възел или да бъдат реализирани само в пограничните устройства. Последният вариант често се използва от операторите за изравняване на трафика на техните клиенти в съответствие с условията на предлаганата услуга.

С помощта на протоколите за QoS сигнализация QoS механизмите в отделните възли обменят служебна информация и по този начин координират усилията си по обезпечаване на параметри за качество на обслужването по целия път на потока, т.е. „от край до край“. Например благодарение на средствата за сигнализация приложението може да резервира необходимата му средна пропусквателна способност (за IP мрежите тази функция се поддържа от протокола RSVP) за целия маршрут.

Едно от най-простите средства за сигнализация е маркирането на пакета, когато в него се включва информация за необходимото за пакета качество на обслужване. Най-често за тези цели се използва полето приоритет (в пакета IPv4 - първите три бита от полето Type Of Service, TOS). Преминавайки от устройства в устройство, пакетът носи със себе си своите изисквания за качество на обслужването, макар че те са в доста обобщена форма: полето за приоритет има само няколко възможни значения и затова диференциацията на качеството на обслужване е възможна само за няколко агрегирани потока в мрежата.

Централизираните функции за политики, управление и отчитане на QoS не са необходими елементи в архитектурата на QoS услугите, но са желателни в големи мрежи. За мащабна мрежа необходимостта от централизиране на средствата за QoS политики е очевидна. Единните правила, справедливи за всички устройства в мрежата, се съхраняват в сървъра (или няколко сървъра с тиражирани базови правила). Администраторът конфигурира правилата от едно място, което понижава трудоемкостта на задачата и броя на грешките. След това посредством специален протокол тези правила се препращат до всички мрежови устройства, поддържащи качество на обслужване, а мрежовите устройства прилагат политиката за моделиране на трафика и управление на опашките в съответствие с нужните параметри.

QoS услугите, при които се използват централизирани системи за поддръжка на правила, се наричат QoS услуги на базата на правила (Policy Based QoS). Правилата са полезни не само за управление на QoS, но и за координация на мрежовите устройства при изпълнение на други функции, например защита на трафика. Затова централизираната система за правила в мрежата се базират на общата указателна услуга (Directory Service), където традиционно се съхраняват всички отчетени данни за потребителите (име и парола). В последно време нейното предназначение се разшири и сега тя съдържа най-разнообразни данни за мрежата, включително данни за QoS политиката, политиката за сигурност и т.н.

Описаният модел на QoS услуги съответства на повечето конкретни протоколи за поддръжка на QoS като RSVP, DiffServ в TCP/IP мрежи, протоколите за услуги CBR, VBR и ABR в мрежи ATM.

(08.05.2008)

КОМЕНТАРИ

Трябва да сте регистриран потребител, за да коментирате статията
"Управление на пропусквателната способност"



    

© Ай Си Ти Медиа ЕООД 1997 - 2012 съгласно общи условия за ползване