QoS в сетях

Качество обслуживания в Enterprise

Февраль 17, 2016 Мерион Нетворкс

6 минут чтения

Современные IP сети должны обеспечивать надежную передачу пакетов сети VoIP и других важных служб. Эти сервисы должны обеспечивать безопасную передачу, определенную долю предсказуемости поведения трафика на ключевых узлах и конечно гарантированный уровень доставки пакетов. Сетевые администраторы и инженеры обеспечивают гарантированную доставку пакетов путем изменения параметров задержки, джиттера, резервирования полосы пропускания и контроля за потерей пакетов с помощью Quality Of Service (QoS).

Современные сети конвергентны. Это означает, что приходящей трафик в корпоративный сегмент сети, будь то VoIP, пакеты видеоконференцсвязи или обычный e-mail приходят по одному каналу передачу от Wide Area Network (WAN) . Каждый из указанных типов имеет свои собственные требования к передаче, например, для электронной почты задержка 700 мс некритична, но задержка 700 мс при обмене RTP пакетами телефонного разговора уже недопустима. Для этого и создаются механизмы QoS [описаны в рекомендации Y.1541]. Рассмотрим главные проблемы в корпоративных сетях:

Размер полосы пропускания: Большие графические файлы, мультимедиа, растущее количество голосового и видео трафика создает определенные проблемы для сети передачи;
Задержка пакетов (фиксированная и джиттер): Задержка – это время, которое проходит от момента передачи пакета до момента получения. Зачастую, такая задержка называется «end-to-end», что означает точка – точка. Она бывает двух типов:

Фиксированная задержка: Данные вид задержки имеет так же два подтипа: задержка сериализации и распространения. Сериализация - это время затрачиваемое оборудованием на перемещение бит информации в канал передачи. Чем шире пропускная способность канала передачи, тем меньше время тратится на сериализацию. Задержка распространения это время, требуемое для передачи одного бита информации на другой конец канала передачи;
Переменная сетевая задержка: Задержка пакета в очереди относится к категории переменной задержки. В частности, время, которое пакет проводит в буфере интерфейса, зависит от загрузки сети и относится так же к переменной сетевой задержке;

Изменение задержки (джиттер): Джиттер это дельта, а именно, разница между задержками двух пакетов;
Потеря пакетов: Потеря пакетов, как правило, вызывается превышением лимита пропускной способности, в результате чего теряются пакеты и происходят неудобства в процессе телефонного разговора.

Размер полосы пропускания

Рисунок иллюстрирует сети с четырьмя «хопами» - промежуточными узлами на пути следования пакета между сервером и клиентом. Каждый «хоп» соединен между собой своим типом среды передачи в разной пропускной способностью. В данном случае, максимальная доступная полоса для передачи равна полосе пропускания самого «узкого» места, то есть с самой низкой пропускной способностью.

Расчет доступной пропускной способности - это неотъемлемая часть настройки QoS, которая является процессом, осложненным наличием множества потоков трафика проходящего через сеть передачи данных и их необходимо учесть. Расчет доступной полосы пропускания происходит приблизительно по следующей формуле:

A=Bmax/F

где A – доступная полоса пропускания, Bmax – максимальная полоса пропускания, а F – количество потоков. Наиболее правильным методом при расчете пропускной способности является расчет с запасом в 10-20% от расчетной величины. Однако, увеличение пропускной способности вызывает удорожание всей сети и занимает много времени на осуществление. Но современные механизмы QoS могут быть использованы для эффективного и оптимального увеличения доступной пропускной способности для приоритетных приложений.

С помощью метода классификации трафика, алгоритм QoS может отдавать приоритет вызову в зависимости от важности, будь то голос или критически важные для бизнеса приложения. Алгоритмы QoS подразумевают предоставление эффективной полосы пропускания согласно требованиям подобных приложений; голосовой трафик должен получать приоритет отправки. Перечислим механизмы Cisco IOS для обеспечения необходимой полосы пропускания:

Priority queuing (приоритетная очередь или - PQ) или Custom queuing (пользовательская или настраиваемая очередь - CQ);
Modified deficit round robin - MDRR - Модифицированный циклический алгоритм с дополнительной очередью (маршрутизаторы Cisco 1200 серии);
Распределенный тип обслуживания, или Type Of Service (ToS) и алгоритм взвешенных очередей (WFQ) (маршрутизаторы Cisco 7x00 серии);
Class-Based Weighted Fair Queuing (CBWFQ) или алгоритм очередей, базирующийся на классах;
Low latency queuing (LLQ) или очередь с малой задержкой. Оптимизация использования канала путем компрессии поля полезной нагрузки «фреймов» увеличивает пропускную способность канала. С другой стороны, компрессия может увеличить задержку по причине сложности алгоритмов сжатия. Методы Stacker (укладчик) и Predictor (предсказатель) - это два алгоритма сжатия, которые используются в Cisco IOS.

Другой алгоритм эффективного использования канала передачи это компрессия заголовков. Сжатие заголовков особенно эффективно в тех сетях, где большинство пакетов имеют маленькое количество информационной нагрузки. Другими словами, если отношение вида (Полезная нагрузка)/(Размер заголовка) мало, то сжатие заголовков будет очень эффективно. Типичным примером компрессии заголовков может стать сжатие TCP и Real-time Transport Protocol (RTP) заголовков.

Задержка пакетов из конца в конец и джиттер

Рисунок ниже иллюстрирует воздействие сети передачи на такие параметры как задержка пакетов проходящих из одной части сетевого сегмента в другой. Кроме того, если задержка между пакетом с номером i и i + 1 есть величина, не равная нулю, то в добавок к задержке "end-to-end" возникает джиттер. Потеря пакетов в сети при передаче трафика происходит не по причине наличия джиттера, но важно понимать, что его высокое значение может привести к пробелам в телефонном разговоре. Каждый из узлов в сети вносит свою роль в общую задержку:

Задержка распространения (propagation delay) появляется в результате ограничения скорости распространения фотонов или электронов в среде передачи (волоконно-оптический кабель или медная витая пара);
Задержка сериализации (serialization delay) это время, которое необходимо интерфейсу чтобы переместить биты информации в канал передачи. Это фиксированное значение, которое является функцией от скорости интерфейса;
Задержка обработки и очереди в рамках маршрутизатора.

Рассмотрим пример, в котором маршрутизаторы корпоративной сети находятся в Иркутске и Москве, и каждый подключен через WAN каналом передачи 128 кбит/с. Расстояние между городами около 5000 км, что означает, что задержка распространения сигнала по оптическому волокну составит примерно 40 мс. Заказчик отправляет голосовой фрейм размером 66 байт (528 бит). Отправка данного фрейма займет фиксированное время на сериализацию, равное:

tзс = 528/128000=0,004125с=4.125 мс.

Также, необходимо прибавить 40 мс на распространение сигнала. Тогда суммарное время задержки составит 44.125 мс. Исходя из рисунка расчет задержки будет происходить следующим способом:

D1+Q1+D2+Q2+D3+Q3+D4

Если канал передачи будет заменен на поток Е1, в таком случае, мы получим задержку серилизации, равную:

tзс=528/2048000=0,00025781с=0,258 мс

В этом случае, общая задержка передачи будет равнять 40,258 мс.