Качество обслуживания в современных сетях

Анализ пользовательских требований является первым и наиболее важным ша­гом в процессе разработки сети. Сеть является всего лишь инструментом, кото­рый люди используют для достижения своих целей. Создание сети не является самоцелью — она строится для пользователей и, следовательно, должна отвечать их пожеланиям, требованиям, ожиданиям и т. д. Именно они, в конечном счете, определяют топологию сети, транспортные протоколы, аппаратное и программ­ное обеспечение.

Существует две точки зрения на разрабатываемую сеть: точка зрения пользо­вателя и точка зрения разработчика. Пользователь смотрит на сеть как бы со стороны, а разработчик — изнутри. Поэтому для полноценного анализа требова­ний необходимо объединение взглядов пользователей и разработчиков.

Неверная интерпретация разработчиками пользовательских требований мо­жет привести к краху всего проекта. С другой стороны, дословное следование пользовательским требованиям может привести к такому проекту, который аб­солютно нереализуем ни сегодня, ни в ближайшем будущем (но, впрочем, само составление такого проекта может оказаться крайне полезным). Пользователь мечтает об отсутствии задержек, бесплатном пользовании услугами сети, устой­чивости к ошибкам, легкости в использовании, безопасности и т. д.

Разработчик же должен посмотреть на эти требования со своей профессио­нальной точки зрения. Следует также учитывать, что пользователь предостав­ляет разработчику неполные и несистематизированные требования к сети. Разработчик должен помнить, что требования пользователей к сети будут меняться в процессе эксплуатации сети. Но так или иначе, одним из основных показателей, который должен принимать во внимание разработчик, является ха­рактер сетевого трафика.

Характеристики трафика

Можно выделить две характеристики трафика — единица данных и способ упа­ковки этих единиц. Единицей данных может быть: бит, байт, октет, сообщение, блок. Они упаковываются в файлы, пакеты, кадры, ячейки. Они могут также передаваться без упаковки. В терминах ATM другим именем упакованных дан­ных является PDU (Protocol Data Unit — протокольный блок данных).

Скорость измеряется в единицах данных за единицу времени. Например, па­кеты в секунду, байты в секунду, транзакции в минуту и т. д. Скорость также определяет время, требуемое для передачи единицы данных по сети.

В табл. 3.1 приведен перечень типичных передаваемых данных и скорость их передачи. Различные накладные расходы не учитываются.

Таблица 3.1. Передача данных

Реальный размер передаваемых по сети данных складывается из непосредст­венно данных и необходимого информационного обрамления, составляющего накладные расходы на передачу. Многие технологии устанавливают ограниче­ния на минимальный и максимальный размеры пакета. Так, например, для тех­нологии Х.25 максимальный размер пакета составляет 4096 байт, а в технологии Frame Relay максимальный размер кадра составляет 8096 байт.

Можно выделить четыре наиболее общие характеристики трафика:

q «взрывообразность»,

q терпимость к задержкам,

q время ответа,

q емкость и пропускная способность.

Эти характеристики с учетом маршрутизации, приоритетов, соединений и т. д. как раз и определяют характер работы приложений в сети.

«Взрывообразность» характеризует частоту посылки трафика пользователем. Чем чаще пользователь посылает свои данные в сеть, тем она больше. Пользо­ватель, который посылает данные регулярно, в одном темпе, сводит показатель «взрывообразности» практически к нулю. Этот показатель можно определить отношением максимального (пикового) значения трафика к среднему. Например, если максимальный объем пересылаемых данных в часы пик составляет 100 Мбит/с, а средний объем — 10 Кбит/с, показатель «взрывообразности» будет равен 10.

Терпимость к задержкам характеризует реакцию приложений на все виды задержек в сети. Например, приложения, обрабатывающие финансовые транзак­ции в реальном масштабе времени, не допускают задержек. Большие задержки могут привести к неправильной работе таких приложений.

Приложения сильно различаются по допустимому времени задержки. Есть приложения, работающие в реальном времени (видеоконференции) — там время задержки должно быть крайне малым. С другой стороны, встречаются приложе­ния, терпимые к задержкам в несколько минут или даже часов (электронная почта и пересылка файлов). На рис. 3.1 показано, из чего составляется общее время реакции системы.

Понятия емкости и пропускной способности сети связаны между собой, но, по сути, это не одно и то же. Емкость сети — это реальное количество ресурсов, доступных пользователю на определенном пути передачи данных. Пропускная способность сети определяется общим количеством данных, которые могут быть переданы в единицу времени. Емкость сети отличается от пропускной способ­ности сети из-за наличия накладных расходов, которые зависят от способа использования сети. Таблица 3.2 содержит характеристики трафика для различ­ных приложений.

Нет ни пользователей, ни разработчиков, которые не были бы озабочены оп­тимальностью создаваемой сетевой инфраструктуры. При этом главный вопрос: будет ли работе сети удовлетворительной по истечении некоторого времени после ее внедрения?

Таблица 3.2. Характеристики трафика разных приложений

Больше всего проблем возникает при попытке «собрать» множество одно­функциональных сетей в одну гибкую многосервисную сеть. Еще трудней по­лучить такую сеть, которая бы смогла разрешить абсолютно все проблемы, хотя бы в обозримом будущем. Сетевые специалисты понимают, что бизнес-функции организации постоянно меняются. Организация совершенствует свою структуру, рабочие группы формируются и исчезают, производство перепрофилируется и т. д. В свою очередь, меняются и приложения, ориентированные на работу в сети. Пользовательские рабочие станции сейчас предоставляют услуги по обра­ботке сообщений, видеоинформации, телефонии и т. д.

В этой связи, при создании сети с комбинированными функциями нужно гарантировать необходимый уровень сервиса для каждого приложения. В про­тивном случае пользователи будут вынуждены отказаться от многосервисной сети в пользу старой специализированной сети. Как показывает текущее состо­яние сети Internet, обработка всего трафика на равных правах приводит к серь­езным проблемам, особенно при ограниченной пропускной способности.

Некоторые приложения требуют быстрой реакции сети. Поэтому возникла необходимость гарантировать время реакции, пропускную способность сети и другие параметры. Такая технология была разработана и получила название ка­чество обслуживания (Quality of Service, QoS).

Качество обслуживания использует распределение по категориям и назначе­ние приоритетов трафикам, что позволит гарантировать трафику с большим приоритетом лучшие условия передачи через сетевую магистраль, вне зависимости мости от требований к пропускной способности трафиков менее важных прило­жений. Технология качества обслуживания может применяться для определения стоимости услуг многосервисной сети. Качество обслуживания позволяет свя­зать стоимость сетевых услуг с сетевой производительностью.

Однако возникает вопрос: какую именно технологию качества обслуживания должен выбрать сетевой специалист? Существует несколько вариантов: орга­низация приоритетных очередей в маршрутизаторах, использование протокола RSVP, применение QoS ATM и т. д. Но следует отметить, что всегда можно отказаться от технологии качества обслуживания. Это можно сделать, например, введя «силовые» методы распределения полосы пропускания и не используя эти методы там, где не нужно. Для выбора конкретной технологии качества обслу­живания необходимо провести анализ требований пользователей к качеству об­служивания и рассмотреть возможные альтернативы.

Трафик разных приложений

В последнее время все отчетливее прослеживается тенденция введения в при­ложения услуг телефонии, групповой работы над документами, обработки со­общений, видео и т. д. Эта тенденция определяет требования к сетевой магистрали, которая, комбинируя ЛВС-, MAN- и WAN-магистрали, должна иметь многосервисную основу и передавать любые типы трафика с требуе­мым качеством.

Можно условно разделить трафик на три категории, отличающиеся друг от друга требованиями к задержке при передаче:

q Трафик реального времени. К этой категории относятся трафик с аудио-и видеоинформацией, не допускающий задержки при передаче. Задержка обычно не превышает 0,1 с, включая время на обработку на конечной станции. Кроме того, задержка должна иметь небольшие колебания во времени (эффект «дрожания» должен быть сведен к нулю). Следует отме­тить, что при сжатии информации трафик данной категории становится очень чувствительным к ошибкам при передаче. При этом из-за требова­ния малой задержки возникающие ошибки не могут быть исправлены с помощью повторной посылки;

q Трафик транзакций.Эта категория требует задержки до 1 с. Увеличение этого предельного значения заставляет пользователей прерывать свою ра­боту и ждать ответа, потому что только после получения ответа они могут продолжить отправлять свои данные. Поэтому большие задержки приво­дят к уменьшению производительности труда. Кроме того, разброс в значениях задержки приводит к дискомфорту в работе. В некоторых случаях превышение допустимого времени задержки приведет к сбою рабочей сессии и пользовательским приложениям потребуется начать ее вновь;

q Трафик данных. Эта категория трафика может работать практически с любой задержкой, вплоть до нескольких секунд. Особенностью такого трафика является повышенная чувствительность к доступной пропускной способности, но не к задержкам. Увеличение пропускной способности влечет за собой уменьшение времени передачи. Приложения, передающие большие объемы данных, разработаны, в основном, так, что захватывают всю доступную полосу пропускания сети. Редкими исключениями явля­ются приложения потокового видео. Для них важны и пропускная способ­ность и минимизация времени задержки.

Внутри каждой рассмотренной категории трафики классифицируются по присвоенным им приоритетам. Трафик, имеющий более высокий приоритет, по­лучает предпочтение при обработке. Примером приоритетного трафика может быть транзакция с заказом.

Введение приоритетов неизбежно при недостаточности ресурсов сети. При­оритеты могут использоваться для выделения групп, прикладных программ и отдельных пользователей в группах.

Передача аудио- и видеоинформации чувствительна к изменению задержки или, иными словами, к дрожанию. Например, превышение допустимого порога дрожания может привести к достаточно ощутимым искажениям изображений, необходимости дублирования видеокадров и т. д. Передача звука также чувстви­тельна к дрожанию, так как человеку трудно воспринимать неожиданные паузы в речи абонента.

Проведенные исследования показали, что в случае передачи низкокачествен­ной аудиоинформации по сети, максимальная задержка сигнала должна на­ходиться в пределах от 100 до 150 мс. В случае передачи изображений этот параметр не должен превышать 30 мс. Таблица 3.3 определяет диапазон прием­лемых задержек при передаче аудиоинформации.

Таблица 3.3. Воздействие задержек на восприятие голосового сигнала

Кроме того, так как потоки аудио- и видеоинформации следуют через различные устройства, которые обрабатывают трафик с учетом эффекта дрожа­ния на основе разных алгоритмов, может быть быстро потеряна синхронизация между изображением и голосом (как это бывает в плохих фильмах). С эффектом дрожания можно бороться, применяя буферную память на принимающей сторо­не. Но следует помнить, что объем буфера может достигать значительных раз­меров, а это приводит как к удорожанию аппаратуры, так и к обратному эффекту — увеличению задержки за счет накладных расходов при обработке информации в большом буфере.