Глава 6. Качество обслуживания в IP-сетях

Вопросы качества обслуживания (QoS) в IP-сетях в последнее время стали особенно актуальными, поскольку от их решения напрямую зависит архитектура перспективной сети связи XXI века.

За последние несколько лет в рамках организации IETF было предложено несколько архитектур и механизмов, призванных в той или иной степени обеспечить QoS. Наиболее известными и реализованными являются IntSerf, DiffSerf, MPLS (GMPLS), a также механизм принудительной маршрутизации, рассмотренные в предыдущих главах. В гл. 6 представлены последние материалы по стандартизации в области QoS для IP-сетей, практические подходы по обеспечению QoS в IP-сетях, рассмотрены стратегии внедрения IPv6 и особенности обеспечения QoS в оптических сетях.

6.1. Стандарты QoS ITU-T для IP-сетей

Для поддержки конвергенции IP-сетей и сетей ТфОП, IP-сети должны обеспечивать надежное дифференцированное QoS для разнообразных приложений пользователей, включая телефонию. Для обеспечения QoS из конца в конец, провайдерам IP-сетей необходимо согласовать общий набор параметров производительности передачи IP-пакетов и задачи QoS. Далее будут рассмотрены две новые рекомендации ITU-T, Y.1540 и Y.1541 по вопросам QoS [1].

6.1.1. Постановка вопроса

Существует широко распространенное мнение, что сегодняшние сети КК и КП постепенно объединятся в сети, основанные на IP-инфраструктуре, которая будет переносить как трафик ТфОП, так и традиционных приложений Internet. Такой сценарий конвергенции привлекателен тем, что обеспечивает как снижение себестоимости через объединение технологий, так и развитие индустрии через создание новых услуг. Однако на практике конвергенция идет довольно медленно. С технической точки зрения главным камнем преткновения оказалась проблема качества обеспечения обслуживания (QoS). Традиционные IP-сети используют подход наилучшей попытки (best effort) к качеству, предоставляющий пользователям справедливую долю доступных сетевых ресурсов, но не гарантирующий выполнения

никакого определенного уровня производительности. Принцип best effort был достаточно эффективен для поддержки приложений нереального масштаба времени (электронная почта, передача файлов) и был расширен для приложений, близких к реальному масштабу времени (аудио/видео вещание, просмотр Web). Основанная на текущем избытке пропускной способности многих маршрутов, парадигма наилучшей попытки сталкивается с сегодняшними потребностями многих пользователей в интерактивной голосовой телефонии и в других приложениях реального времени.

Однако маловероятно обеспечить качество, ожидаемое пользователями интерактивной голосовой телефонии и других приложений реального времени, когда ограничения пропускной способности приводят к существенному увеличению величины задержки или к потерям пакетов.

Для того чтобы реализовать полностью полезный эффект от конвергенции, будущие, основанные на IP-сети, нуждаются в использовании новых принципов разделения ресурсов, способных надежно обеспечить дифференцированное QoS для большого и многообразного набора пользовательских приложений, включающих, что особенно важно, голос поверх IP (VoIP).

Решения QoS из конца в конец для IP делают возможной успешную конвергенцию 1РЯфОП, которая может быть реализована, например, в три шага:

1. Выполнение сетевыми провайдерами соглашений относительно общего набора параметров производительности IP и требований QoS.

2. Развертывание сетевых механизмов, поддерживающих заданные требования QoS на участке терминал-терминал.

3. Внедрение требований QoS в протоколы сигнализации для возможности создания по запросу IP-потоков с гарантированным QoS. 13-я исследовательская группа Международного Союза Электросвязи (сектор стандартизации телекоммуникаций) - МСЭ-Т недавно выпустила два международных стандарта (рекомендации), которые выполняют первый из этих трех шагов. Первая рекомендация, Y.1540, определяет стандарты параметров производительности для передачи пакетов в IP-сетях. Вторая, У. 1541, специфицирует требования к стыку сетевой интерфейс-сетевой интерфейс (network-interface-to-network-interface, NI-NI) для параметров рекомендации Y.1540 и группирует эти численные требования по шести классам QoS для 1Р-оетей. Далее будет описываться развитие этих новых рекомендаций, выводы по их техническому содержанию, а также будет определено, что еще необходимо сделать для оптимизации их использования в худущих IP-сетях, гарантирующих QoS. .

6.1.2. Рекомендация Y.154Q

Рекомендация Y.1540 определяет параметры, которые будут использоваться для спецификации и оценивания скорости, точности, надежности и готовности передачи IP-пакетов в международных сетях передачи данных. Параметры могут быть использованы для описания IP-потоков из конца в конец и отдельных частей сети, поддерживающих такие потоки. В соответствии с определениями Y.1540, транспорт без установления соединения является отличительной чертой IP. Y.1540 применяется к IP-потокам с использованием IP протокола четвертой версии (IP Version 4, IPv4). Однако здесь следует отметить, что принципы и рекомендации для протокола IP шестой версии (IPv6) остаются теми же самыми [1].

Предполагаемые пользователи рекомендации Y.1540 - это провайдеры IP-сетей, производители оборудования и конечные пользователи. Провайдеры будут использовать Y.1540 при планировании, разработке и оценивании IP-сетей во взаимодействии с необходимой пользователям производительностью. Один крупный сетевой провайдер уже использует параметры рекомендации Y.1540 для мониторинга производительности передачи пакетов. Производители будут использовать Y.1540 при разработке и сбыте оборудования, согласующегося со спецификациями провайдера. Конечные пользователи будут применять рекомендацию для оценки производительности IP-сетей по фактическому взаимодействию между терминалами.

Процесс разработки параметров. На рис. 6.1 показан трехшаго-вый процесс, который традиционно использовался 13-й исследовательской группой ITU-T при разработке параметров работы цифровых сетей, и в данном же контексте установлены границы рассмотрения рекомендации Y.1540.

Первый шаг заключается в определении интерфейсов, для которых будут применяться параметры специфических событий, которые могут происходить на данных интерфейсах. Сеть моделируется как объединение сетевых сегментов, соединенных каналами передачи данных (звеньями обмена). Интерфейсы между ними, названные точками измерения (Measurement Point, MP), являются функциональными границами, на которых могут быть проведены наблюдения стандартизированных протоколов. Важные, с точки зрения работы, события, которые могут быть посчитаны, измерены во времени или сравнены в точках измерения (MP), будем называть опорными событиями (Reference Event, RE). Специфические опорные события определяются протоколом интерфейса.

Второй шаг заключается в определении набора первичных параметров, которые в совокупности характеризуют работу сети. Первич-

Точка измерения (MP)

Уровень IP

Нижние уровни

Сегмент

сети Точка измерения Точка измерения Точка измерения

(MP)

ерени) (MP)

Канал связи

IP-пакет [

Маршрутизатор Маршрутизатор Маршрутизатор н нзг i или источник или приемник (SRC) (bST)

Опорныесобытия (RE) передачи IP-пакетов рекомендации V.1540 ~--

предоставления услуги

Рис. 6.1. Эталонная модель и область действия рекомендации Y.1540

Hbie параметры связаны с частными коммуникационными функциями и описаны в терминах опорных событий. Коммуникационная функция определяет ожидаемую реакцию сети (или сетевого сегмента) на специфическое внешнее воздействие; воздействия и реакции являются опорными событиями.

При описании работы цифровой сети обычно используются три Общих коммуникационных функции: доступ, передача пользовательской информации и освобождение.

Согласно статистике, параметры работы случайным образом изменяются на некотором пространстве выборок, которое различает возможные исходы, которые могут быть у функции работы. Для любой дискретной функции можно различить три общих типа исходов: успешная работа, неправильная работа и невыполнение. Соответствующие пользователю критерии работы - это: скорость, безошибочность и надежность. Они связаны с общими коммуникационными функциями в известной матрице размерностью 3x3. Для описания каждой комбинации функция/критерий в матрице определен один или несколько первичных параметров. Матричный подход помогает удостовериться, что не пропущен ни один существенный атрибут.

Третий шаг при разработке параметров заключается в определении набора параметров готовности для описания работы с более долговременной точки зрения. Параметры готовности определяются на основе наблюдаемых значений для подмножества первичных пара-метров, параметров решения о готовности. Канал связи между парой (или больше) пользователей может находиться в одном из двух состояний: готовном или неготовном, что определяется функцией готовности, которая сравнивает наблюдаемые значения параметров принятия решения с соответствующими критическими порогами за последовательные периоды наблюдения. Параметры готовности характеТизу-ют бинарный вероятностный процесс в статистических терминах.

При разработке Y.1540 13-я исследовательская группа согласилась, что точки измерений (MP) являются юридическими границами, которые разделяют независимо управляемые IP-сети (автономные системы) и пользовательские терминалы. Подходящим интерфейсным протоколом является IPv4, а подходящими информационными блоками - IP-пакеты.

Опорное событие передачи IP-пакета (IP Packet Transfer Reference Event, I PRE) для указанной пары источник/получатель (SRC/DST) происходит, когда IP-пакет с определенными IP-адресами SRC/DST (и правильной контрольной суммой заголовка) пересекает MP. Единственная коммуникационная функция, к которой обращается рекомендация У. 1540 - это передача IP-пакета (IP packet transfer), функции доступа и освобождения не рассматриваются. Это отражает тот факт, что сегодня IP-сети - это сети без установления соединения. ITU-T SG 13 и другие исследовательские группы разрабатывают параметры работы для IP-сетей, которые могли бы поддерживать такие функции в будущем (например, установление и разъединение ориентированных на соединение потоков).

Рекомендация У. 1540 определяет четыре индивидуальных результата передачи пакета, основанных на опорных событиях (RE) в точках измерений (MP), что в упрощенном виде показано на рис. 6.2. Приходящий в сегмент IP-пакет, на входящей MP может столкнуться со

следующими исходами: успешная передача, ошибка или потеря. IP-пакет, который появляется на входящей MP без соответствующей исходящей, будем называть ложным. События и результаты при передаче IP-пакета в рекомендации Y.1540 определены более формально, принимая во внимание общую информацию маршрутизации и возможность фрагментации пакетов. Различная маршрутизация объясняется определением в данное время и для данного IP-потока из конца в конец набора допустимых входящих и исходящих MP. Фрагментация пакетов объясняется определением результатов передачи пакетов когда RE на одной MP кончается несколькими соответствующими событиями на других MP. (Y.1540 также определяет результат потери мультипакетного блока и связанный с ним параметр - коэффициент потери блоков для определения и ограничения последовательных или Сфуппированных (пачечных) событий потери блоков).

Рабочие параметры передачи IP-пакетов. Рекомендация Y.1540 определяет пять рабочих параметров передачи IP-пакетов на основе результатов, приведенных на рис. 6.2.

Задержка передачи IP-пакета (IP Packet Transfer Delay, IPTD) - это время {tz - /i) между возникновением двух, связанных с передачей IP пакета, событий: входящее событие REi в момент времени fi и исходящее событие REz в момент времени tz, где (fe > ) и (fe - U) < Тах-IPTD определен для всех удачных и ошибочных результатов передачи пакетов. Если пакет фрагментирован, то /г - это время соответствующего последнего выходного события. Подразумевается, что задержка передачи IP-пакета, специфицированная в рекомендации Y.1541 - это среднее арифметическое задержек IP-пакетов.

Джиттер задержки IP-пакетов (IP Packet Delay Variation, IPDV) определяется на основе наблюдений соответствующих потоков IP-пакетов на входящих и исходящих MPs (например, MPi и МРг на рис. 6.13). Джиттер задержки пакетов (v) для IP-пакета /с между MPi и МРг - это разность между абсолютной задержкой (х) передачи IP-пакета и определенной задержкой (0(1,2) передачи контрольного IP-пакета между этими самыми MPs: v = Хк- 0(1,2. Задержка передачи контрольного IP-пакета 0(1,2 между SRC и DST - это абсолютная задержка передачи IP-пакета, определяемая первым IP-пакетом между Этими двумя MPs. (Положительные значения IPDV соответствуют большим задержкам пакета, чем определенные контрольным пакетом, а отрицательные значения - соответственно меньшим. Распределение IPDV идентично распределению абсолютных задержек передачи пакетов, сдвинутых на постоянную величину 0(1,2).

Коэффициент потери IP-пакетов (IP Packet Loss Ratio, IPLR) - это отношение общего числа потерянных пакетов к общему числу переданных пакетов в общей совокупности.