Приложения и качество обслуживания

Приложения
и качество обслуживания
Характеристики QoS
Характеристики QoS особенно важны в том случае,
когда сеть передает одновременно трафик разного типа,
например трафик веб-приложений и голосовой трафик.
Основные характеристики трафика:
• относительная предсказуемость скорости передачи данных;
• чувствительность трафика к задержкам пакетов;
• чувствительность трафика к потерям и искажениям пакетов.
Предсказуемость скорости передачи
данных
• потоковый трафик (stream);
• пульсирующий трафик (burst).
Приложения с потоковым трафиком порождают
равномерный поток данных, который поступает в
сеть с постоянной битовой скоростью (Constant
Bit
Rate,
CBR).
Постоянная
скорость
Данные
Пакеты размером B бит
потокового трафика
CBR = В/Т (бит/сек).
T
Приложения с пульсирующим трафиком
отличаются
высокой
степенью
непредсказуемости, когда периоды молчания
сменяются пульсацией, в течение которой
пакеты «плотно» следуют друг за другом. В
результате трафик характеризуется переменной
t
Данные
(PIR1=PIR2)
T1:C=PIR1 T2:C=0
T3:C=PIR3
3T:C=C
t
средн
битовой скоростью (Variable Bit Rate, VBR).
На рисунке показано три периода измерений T1, Т2 и Т3. Величина пульсации
В, которая равна количеству битов, переданных на периоде пульсации В =PIRxТ.
Средняя скорость=2B/3T;
Коэффициент пульсации=3/2
Чувствительность трафика к задержкам
пакетов
Асинхронные приложения. Практически нет ограничений на время
задержки (эластичный трафик). (Пример - электронная почта).
Время задержки пакетов
Интерактивные приложения. Задержки могут быть замечены
пользователями, но они не сказываются негативно на функциональности
приложений. Пример — текстовый редактор, работающий с удаленным
файлом.
Изохронные приложения. Имеется порог чувствительности к вариациям
задержек, при превышении которого резко снижается функциональность
приложения. Пример — передача голоса, когда при превышении порога
вариации задержек в 100-150 мс резко снижается качество
воспроизводимого голоса.
Сверхчувствительные к задержкам приложения. Задержка доставки
данных сводит функциональность приложения к нулю. Пример —
приложения, управляющие техническим объектом в реальном времени.
АСИНХРОННЫЕ – нечувствительны к задержкам передачи данных в очень
широком диапазоне, вплоть до нескольких секунд, а все остальные приложения,
на функциональность которых задержки влияют существенно, относят к
СИНХРОННЫМ приложениям.
Чувствительность трафика к потерям и
искажениям пакетов
Приложения, чувствительные к потере данных. Практически все
приложения, передающие алфавитно-цифровые данные (к которым
относятся текстовые документы, коды программ, числовые массивы и т.
п.), обладают высокой чувствительностью к потере отдельных, даже
небольших, фрагментов данных. Все традиционные сетевые
приложения (файловый сервис, сервис баз данных, электронная почта
и т. д.) относятся к этому типу приложений.
Приложения, устойчивые к потере данных. К этому типу относятся
многие приложения, передающие трафик с информацией об
инерционных физических процессах. Устойчивость к потерям
объясняется тем, что небольшое количество отсутствующих данных
можно определить на основе принятых. К такому типу относится
большая часть приложений, работающих с мультимедийным
трафиком (аудио- и видео приложения). Однако устойчивость к
потерям имеет свои пределы, поэтому процент потерянных пакетов не
может быть большим (например, не более 1 %).
Классы приложений
При стандартизации технологии ATM, которая изначально разрабатывалась
для поддержания различных типов трафика, были определены 4 класса
приложений: А, В, С и D. Для каждого класса рекомендуется использовать
собственный набор характеристик QoS.
Классы трафика
Клас
с
Характеристики
А
Постоянная битовая скорость, чувствительность к задержкам, передача с
установлением соединения (например, голосовой трафик, трафик
телевизионного изображения). Параметры QoS: пиковая скорость передачи
данных, задержка, джиттер
В
Переменная битовая скорость, чувствительность к задержкам, передача с
установлением соединения (например, компрессированный голос,
компрессированное видеоизображение). Параметры QoS: пиковая скорость
передачи данных, пульсация, средняя скорость передачи данных, задержка,
джиттер
С
Переменная битовая скорость, эластичность, передача с установлением соединения
(например, трафик компьютерных сетей, в которых конечные узлы работают по
протоколам с установлением соединений - frame relay, Х.25, TCP). Параметры QoS:
пиковая скорость передачи данных, пульсация, средняя скорость передачи
данных
D
Переменная битовая скорость, эластичность, передача без установления
соединения (например, трафик компьютерных сетей, в которых конечные узлы
Анализ очередей
Сети с коммутацией пакетов были первоначально разработаны для передачи
асинхронного трафика. Однако сегодня, когда сети передачи данных начали
переносить различные типы трафика, в том числе и чувствительного к
задержкам, вопросы обеспечения показателей QoS вышли на первое место.
Модель М/М/1, как модель обработки пакетов
FIFO
b
1 
 - коэффициент использования (utilization) обслуживающего прибора
(коммутатора) равен отношению времени занятости обслуживающего прибора
к величине этого периода
b - среднее время обслуживания заявки (пакета);
Среднее время ожидания заявки (пакета) в очереди:W  
Зависимость
среднего
времени
ожидания заявки от коэффициента
использования ресурса
b
W 
1 
0   1
Влияние степени пульсации потока на задержки
CV - коэффициент вариации
входного потока (пульсация входного
трафика)
Чем меньше пульсирует входной
поток (CV приближается к нулю), тем
меньше проявляется эффект
лавинообразного образования очереди.
Наоборот чем больше CV, тем раньше
(при меньших значениях р) начинает
этот эффект проявляться.

Выводы. Для оценки значений задержек в очередях на коммутаторах сети
недостаточно информации о коэффициенте загрузки , необходимо также знать
параметры пульсации трафика.
Для снижения уровня задержек нужно снижать значение и сглаживать
трафик.
Механизмы обеспечения качества обслуживания
Работа в недогруженном режиме
Все коммутаторы и каналы работают на 20-30 % от своей максимальной
производительности. Однако это сводит «на нет» основное достоинство сети с
коммутацией пакетов, а именно ее высокую производительность при передаче
пульсирующего трафика.
Введение разных классов обслуживания
Разделить все потоки на два класса:
1) чувствительный к задержкам (s);
2) эластичный, допускающий большие
задержки, но чувствительный к потерям
данных (e).
Для получения различных
коэффициентов использования ресурсов
для разных классов трафика, нужно в
каждом коммутаторе поддерживать две
разные очереди.
Алгоритм выборки пакетов из очередей
должен отдавать предпочтение очереди
чувствительных к задержкам пакетов.
Обслуживание чувствительного к
задержкам трафика и эластичного
Вывод. Общая производительность каждого ресурса должна быть
разделена между разными классами трафика неравномерно.
Модель службы QoS
3. Правила политики
QoS, управление,
учет
2. Протокол
сигнализации
1.QoS узла - очереди
- shaping
- ...
Трафик «Приложение-приложение»
Алгоритмы управления очередями
1. Алгоритм FIFO (First-Input/First-Output )
2. Приоритетное обслуживание
Алгоритмы приоритетного обслуживания - одним приложениям нужно
отдать предпочтение перед другими.
Классификация трафика пакеты разбиваются на приоритетные классы на
основании различных признаков: адреса назначения, адреса источника,
идентификатора приложения.
Точка классификации трафика может размещаться в каждом коммуникационном
устройстве.
Размер буфера сетевого устройства определяет максимальную длину очереди
ожидающих обслуживания пакетов
Взвешенные очереди
Алгоритм взвешенных очередей разработан для того, чтобы можно было
предоставить всем классам трафика определенный минимум пропускной
способности или гарантировать некоторые требования к задержкам.
Под весом данного класса понимается процент предоставляемой классу
трафика пропускной способности от полной пропускной способности выходного
интерфейса.
С каждой очередью связывается не приоритет, а процент (или
коэффициент) пропускной способности ресурса, гарантируемый данному классу
трафика при перегрузках этого ресурса.
Каждая очередь обслуживается в течение заданной доли времени
Примечание. обработчика очереди - 10%, 10%, 30%, 20%, 30%
Существует взвешенное справедливое обслуживание (Weighted Fair
Queuing, WFQ). Пропускная способность ресурса делится между всеми потоками
поровну, то есть «справедливо».
Обратная связь
Механизмы предотвращения перегрузок
Увеличение пропускной
способности интерфейса
Механизмы обратной связи
Уменьшение
интенсивности потоков
Предварительное резервирование
Механизмы обратной связи
Отличаются информацией, которая передается по обратной связи, а также тем,
какой тип узла генерирует эту информацию и кто реагирует на эту информацию:
1) между двумя конечными узлами сети;
2) между двумя соседними коммутаторами;
3) между промежуточным коммутатором и узлом-источником;
4) как и в случае 1, сообщение о перегрузке порождается узлом назначения и
передается узлу-источнику. Однако каждый промежуточный коммутатор
реагирует на это сообщение;
5) Искусственный прием - передача сообщения о перегрузке узлу назначения,
который преобразует его в сообщение обратной связи и отправляет в нужном
направлении, то есть в направлении источника.
Резервирование ресурсов
Резервирование ресурсов и коммутация пакетов
Резервирование заключается в том, что все сетевые устройства вдоль
следования потока должны выделить этому потоку (агрегату) некоторую часть
пропускной способности своих интерфейсов и производительности процессоров,
равную средней требуемой скорости передачи данных потока.
Vсети=100Mбит/с
Vпотока1=15Mбит/с
Vпотока2=70Mбит/с
Vпотока3=10Mбит/с
Vпотока4=30Mбит/с
ij- интерфейсы
Sk – коммутаторы
Системы обеспечения качества обслуживания,
основанные на резервировании
Тип подсистемы
Использование
Механизмы обслуживания
очередей
В периоды временных перегрузок
Протокол резервирования
ресурсов
Для автоматизации процедуры резервирования на
всем пути следования некоторого потока
Механизмы кондиционирования
трафика
Слежение за соответствием текущих параметров
потоков заявленным (Классификация, Профилирование,
Формирование )
Инжиниринг трафика (Traffic Engineering, ТЕ )
Выбор маршрутов для потоков (или классов) трафика с учетом
соблюдения требований QoS
Исходными данными для инжиниринга трафика являются
Характеристики передающей сети — ее
топология, а также производительность
составляющих ее коммутаторов и линий
связи
Сведения о предложенной нагрузке
сети, то есть о потоках трафика,
которые сеть должна передать между
своими пограничными коммутаторами
Главная задача ТЕ
Определение маршрутов прохождения потоков трафика через сеть. При этом
маршруты должны быть такими, чтобы все ресурсы сети были нагружены до
максимально возможного уровня, а каждый поток получал требуемое качество
обслуживания.
Набор маршрутов для заданного множества потоков трафика, для которого все
значения коэффициентов использования ресурсов вдоль маршрута следования
каждого потока не превышают некоторого заданного порога Кмах.
Выводы
Качество обслуживания в его узком смысле фокусирует внимание на характеристиках
и методах передачи трафика через очереди коммуникационных устройств. Методы
обеспечения качества обслуживания занимают сегодня одно из важнейших мест в
арсенале технологий сетей с коммутацией пакетов, так как без их применения
невозможна работа современных мультимедийных приложений, таких как IP-телефония,
видео- и радиовещание, интерактивное дистанционное обучение.
 Характеристики QoS отражают отрицательные последствия пребывания пакетов в
очередях, которые проявляются в снижении скорости передачи, задержках пакетов и их
потерях.
 Приоритетные и взвешенные очереди, а также резервирование и обратная связь
позволяют гарантировать качество обслуживания для чувствительного к задержкам и
эластичного трафика.
 Алгоритм скользящего окна обеспечивает не только надежную передачу пакетов, но и
является эффективным средством обратной связи.
 Архитектура основанной на резервировании системы поддержания качества
обслуживания включает:
1)механизмы очередей;
2)протоколы резервирования, позволяющие автоматически выделять необходимые
ресурсы для «сквозного» потока;
3)средства
кондиционирования
трафика,
выполняющие
классификацию,
профилирование и формирование трафика.
 Методы инжиниринга трафика состоят в выборе рациональных маршрутов
прохождения потоков через сеть. Выбор маршрутов обеспечивает максимизацию
загрузки ресурсов сети при одновременном соблюдении необходимых гарантий в
отношении параметров качества обслуживания трафика.
