1. 1. АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ

Рівень сучасних мережних технологій відкриває перед провайдерами та операторами зв'язку величезні можливості для розвитку і перспективного зростання, пропонуючи клієнтам все нові послуги за доступними цінами. Однак технічний прогрес приносить із собою не тільки нові можливості, але і нові проблеми. Однією з таких проблем є надання клієнтам різних рівнів обслуговування. Особливо актуально це стає для технології передачі голосу по протоколу IP (IP-телефонія), коли клієнти вимагають таку ж якість зв'язку, як і у ТМЗК (телефонна мережа загального користування). Тому операторам потрібні нові кошти для управління ресурсами мережі і контролю за якістю наданого сервісу.

Трафік в реальному часі більше страждає від перевантаження, ніж трафік не в реальному часі. На даний час Інтернет в цілому не забезпечує ніяких засобів для того, щоб гарантувати якість з'єднань. Отож бачимо необхідність якимось чином гарантувати, що в періоди перевантаження трафік реального часу зовсім не буде порушено або, принаймні, отримає більш високий пріоритет, ніж трафік не в реальному часі.

Все це доводить надзвичайно високу актуальність розпочатої в даній роботі спробу вдосконалення методів забезпечення показників якості QoS.

2. 2. ЗВ'ЯЗОК РОБОТИ З НАКОВИМИ ПРОГРАМАМИ, ПЛАНАМИ, ТЕМАМИ

Кваліфікаційна робота магістра виконувалася впродовж 2010-2011 рр. згідно з науковим напрямком кафедри «Автоматики і телекомунікацій» Донецького національного технічного університету.

3. МЕТА І ЗАДАЧІ ДОСЛІДЖЕНЬ

Процедура поставки та моніторингу голосового трафіку ще довго могла б залишатися незмінною, якби не поява мереж нового покоління. За останні кілька років на ринок вийшов ряд нових VoIP провайдерів, що збільшило інтерес до послуг передачі голосового трафіку через IP-мережі, але стало причиною нових складнощів для гарантованого забезпечення послуг.

Отже, мета роботи полягає в дослідженні та удосконаленні методів забезпечення показників якості VoIP розподілених мереж.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити основні завдання. У процесі виконання магістерської роботи планується:

- провести аналіз існуючих методів забезпечення показників якості (QoS);

- вивчити протокол резервування ресурсів RSVP;

- вдосконалити функціональну модель протоколу RSVP;

- змоделювати і дослідити процеси в мережі.

Наслідком проведених досліджень будуть рекомендації з підвищення якості послуг у мережі задоволення вимог споживачів до зв'язку.

Об'єктом досліджень є розподілена телекомунікаційна мережа АМСТОР.

Предметом досліджень є показник якості QoS.

4. ПЕРЕДБАЧУВАНА НАУКОВА НОВИЗНА ОТРИМАНИХ РЕЗУЛЬТАТІВ

У ході виконання роботи будуть визначені основні принципи забезпечення показників якості VoIP мереж та удосконалено алгоритми керування чергами.

5. ПЕРЕГЛЯД РОЗРОБОК І ДОСЛІДЖЕНЬ ЗА ТЕМОЮ

5.1. Принципи IP-телефонії

IP-телефонія - це технологія, що дозволяє використовувати Інтернет або будь-яку іншу IP-мережу для ведення телефонних розмов і передачі факсів в режимі реального часу.

Для організації телефонного зв'язку по IP-мережі використовується спеціальне обладнання - шлюзи IP-телефонії. Загальний принцип дії телефонних шлюзів IP-телефонії такий: з одного боку шлюз підключається до телефонних лініях - і може з'єднатися з будь-яким телефоном світу. З іншого боку шлюз підключений до IP-мережі - і може зв'язатися з будь-яким комп'ютером в світі. Шлюз приймає телефонний сигнал, оцифровує його (якщо він початково не цифровий), значно стискає, розбиває на пакети і відправляє через IP-мережу за призначенням з використанням протоколу IP. Для пакетів, що приходять з IP-мережі на шлюз і спрямовуються в телефонну лінію, операція відбувається в зворотному порядку. Обидві складові процесу зв'язку (вхід сигналу в телефонну мережу і його вихід з телефонної мережі) відбуваються практично одночасно, що дозволяє забезпечити повнодуплексну розмову.

IP-телефонія спирається на дві основні операції: перетворення двонаправленої аналогової мови в цифрову форму всередині кодує / декодуючого пристрої (кодека) і упаковку в пакети для передачі по IP-мережі.

5.2. Оцінка якості обслуговування

Для обслуговування трафіку в IP-телефонії виділяються такі основні характеристики, які визначають якість.

Перша - час затримки при передачі сигналу. Передбачаються такі градації чисельних величин затримок:

• 1-й рівень - до 200 мс - відмінна якість зв'язку. Для порівняння, в мережі ТМЗК допустимі затримки до 150-200 мс.

• 2 - й рівень - до 400 мс - вважається гарною якістю зв'язку. Але якщо порівнювати з якістю зв'язку по мережах ТМЗК, різниця буде видна. Якщо затримки постійно утримуються на верхній межі 2-го рівня (на 400 мс.), То не рекомендується використовувати цей зв'язок для ділових переговорів.

• 3-й рівень - до 700 мс - вважається прийнятною якістю зв'язку для ведення неділових переговорів. Така якість зв'язку можливо також при передачі пакетів по супутниковому зв'язку.

Якість IP-телефонії потрапляє під 2-3 рівні, причому неможливо впевнено сказати, що той чи інший провайдер IP-телефонії працює по 2-го рівня, оскільки затримки з мережі Інтернет мінливі. Більш точно можна сказати про провайдерів IP-телефонії, що працюють по виділених каналах. Вони потрапляють під 1-2 рівні. Також необхідно враховувати затримки при кодуванні / декодуванні голосового сигналу. Середні сумарні затримки при використанні IP-телефонії зазвичай знаходяться в межах 150-250 мс.

Інша важлива характеристика визначає якість переданого мовного сигналу, що залежить від багатьох факторів. Важливі як якість мікрофона та колонок абонентів, так і втрати IP-пакетів при передачі через канал. Тут є важлива перевага перед традиційними мережами: навіть у випадку завантаженості каналів IP і втрати частини пакетів зі стисненим мовним сигналом, програмне або апаратне забезпечення клієнта або платформи можуть виправити сигнал шляхом інтерполяції сусідніх пакетів з урахуванням особливостей мовного спектру.

5.3. Основні методи забезпечення показників якості обслуговування

Зменшити загальну затримку можна двома шляхами, по-перше, спроектувати інфраструктуру мережі таким чином, щоб затримка в ній була мінімальною, а, по-друге, зменшити час обробки даних у мовному шлюзі.

Для зменшення затримки в мережі потрібно скорочувати число транзитних ділянок між маршрутизаторами, а в найбільш важливих місцях мережі використовувати високошвидкісні канали. А для зменшення розкиду затримок можна використовувати ефективні методи управління трафіком, наприклад механізми резервування.

5.3.1. Best Effort

У IP-мережах інформація передається за принципом «найкращої спроби» (best effort) незалежно від типу інформації. У даній моделі використовуються всі доступні ресурси мережі без виділення окремих класів трафіка й регулювання.Вважається, що кращим механізмом забезпечення QoS є збільшення пропускної здатності. Модель Best Effort Service навіть за наявності значних резервів допускає виникнення перевантажень у разі різких сплесків трафіку.

5.3.2. Integrated Service ( IntServ)

Інтегрований сервіс (Integrated Service) визначає два класи по забезпеченню гарантованого рівня обслуговування: клас контрольованої завантаження і клас гарантованого обслуговування. На основі цієї моделі (у залежності від класу обслуговування) для певного типу трафіку може бути надана необхідна смуга пропущення в каналі зв'язку, а також забезпечуватись мінімальна затримка при передачі пакетів або мінімальний рівень їх втрат. В основі архітектури IntServ лежить протокол резервування ресурсів - RSVP (Resource ReSerVation Protocol) [1]. Самий істотний недолік IntServ пов'язаний з масштабованістю RSVP, особливо у високошвидкісних магістральних мережах. RSVP проводить резервування тільки для одного інформаційного потоку.

Структура IntServ приведена на рис. 5.1.

Рисунок 5.1 - Взаємодія элементів IntServ

У кожному вузлі, що підтримує IntServ, має бути кілька обов'язкових елементів:

- класифікатор - направляє вступник пакет в один з класів обслуговування згідно з інформацією, отриманою з заголовків (мережевого і транспортного рівнів) пакета. Клас обслуговування реалізується у вигляді окремої черги. Всі пакети в межах одного класу обслуговування повинні отримувати однаковий QoS;

- диспетчер пакетів - витягує з кожної черги пакети і направляє їх на канальний рівень;

-блок управління доступом (admission control) - приймає рішення про можливість отримання трафіком необхідної кількості ресурсів, не впливаючи при цьому на раніше надані гарантії. Управління доступом виконується на кожному вузлі для прийняття або відхилення запиту на виділення ресурсів по всьому шляху проходження потоку;

- протокол резервування ресурсів - інформує учасників з'єднання (відправника, одержувача, проміжні маршрутизатори) про необхідні параметри обслуговування.

5.3.4. Differentiated Service (DiffServ)

Модель надання диференційованих послуг (Differentiated Service) має високу масштабованість в пакетних мережах. З цієї причини даної моделі відведено місце на магістральних і високошвидкісних ділянках мережі. DiffServ забезпечує параметри QoS не на базі протоколів, а на підставі вимог різних груп користувачів, диференціюючи трафік за встановленим номером класу. Такий механізм знижує обсяг службової інформації в порівнянні з архітектурою IntServ [2].

Модель DiffServ підтримує три види обслуговування: гарантоване обслуговування, обслуговування з перевагою і сервіс з максимальними зусиллями. Недолік даної моделі полягає в тому, що, незважаючи на високий пріоритет, дані все одно можуть бути схильні до непередбачуваних затримок при перевантаженнях в мережі.

Integrated Service Operation over Differentiated Service Networks (Int-DiffServ)

Ця модель описує принципи організації взаємодії IntServ / RSVP і DiffServ для надання QoS з кінця в кінець. Зі сказаного вище видно, що слабкі місця однієї моделі компенсуються відповідними рішеннями інший. З одного боку, погано Швидка IntServ на магістральних ділянках мережі може бути замінена на більш просту DiffServ, з іншого - за допомогою RSVP може вирішуватися (якщо не повністю, то більшою мірою) проблема з невизначеністю одержуваного сервісу в "чистій" DiffServ-мережі.

Структура Int-DiffServ приведена на рис. 5.2.

Рисунок 5.2 - Структура моделі Int-DiffSer

5.3.5. Протокол MPLS

У MPLS-мережах на базі міток зручно реалізується передача з гарантією якості сервісу мережі (QoS). Усередині MPLS-домену передача різних потоків даних абсолютно безпечна завдяки їх чіткому логічному поділу. Для збільшення надійності в технології MPLS реалізовані функції Fast Reroute і LSP Protection, які дозволяють заздалегідь створити дублюючі маршрути комутації і в разі виходу з ладу основного шляху перейти на резервний маршрут без втрати даних для передачі. [3]

Впровадження та обслуговування мереж MPLS більш уніфіковано і спрощено порівняно зі звичайними IP-мережами завдяки використанню протоколів LDP і RSVP. Перший з них призначений для автоматичного прокладання нових шляхів у MPLS-домені. [4] Протокол RSVP дозволяє управляти розподілом пропускної здатності між віртуальними каналами в мережі, забезпечуючи гарантований необхідний рівень якості обслуговування.

5.4. Алгоритми керування чергами

Як вже згадувалося раніше, для зменшення розкиду затримок можна використовувати ефективні методи керування чергами.

Механізми черг використовуються в будь-якому мережному пристрої, де застосовується комутація пакетів - маршрутизаторі, комутаторі локальної або глобальної мережі, кінцевому вузлі.

Необхідність в черзі виникає в періоди тимчасових перевантажень, коли мережеве пристрій не встигає передавати надходять пакети на вихідний інтерфейс. Якщо причиною перевантаження є процесорний блок мережевого пристрою, то необроблені пакети тимчасово поміщаються до вхідної черги, тобто в чергу на вхідному інтерфейсі. У випадку, коли причина перевантаження полягає в обмеженій швидкості вихідного інтерфейсу (а вона не може перевищувати швидкість підтримуваного протоколу), то пакети тимчасово зберігаються у вихідний черги.

Існують наступні алгоритми обробки черг:

- традиційний алгоритм FIFO;

- пріоритетне обслуговування (Priority Queuing), яке також називають «переважною»;

- настроюються черги (Custom Queuing);

- зважене справедливе обслуговування (Weighted Fair Queuing, WFQ).

Кожен алгоритм розроблявся для вирішення певних завдань і тому специфічним чином впливає на якість обслуговування різних типів трафіку в мережі. Можливе комбіноване застосування цих алгоритмів.

Принцип алгоритму FIFO полягає в наступному. У разі перевантаження пакети поміщаються в чергу, а якщо перевантаження усувається або зменшується, пакети передаються на вихід у тому порядку, в якому надійшли («першим прийшов - першим пішов», First In - First Out). Цей алгоритм обробки черг за замовчуванням застосовується у всіх пристроях з комутацією пакетів.

Механізм пріоритетною обробки трафіку передбачає поділ всього мережевого трафіку на невелику кількість класів з призначенням кожному класу деякого числового ознаки - пріоритету. Поділ на класи (класифікація) може вироблятися різними способами.

Схема пріоритетного управління чергами приведена на рис. 5.3.

Рисунок 5.3 - Пріоритетне управлінне чергами

(Анімація: об'єм - 77 КБ; розмір - 673х240; кількість кадрів - 14; затримка між кадрами -50 мс; затримка між останнім та першим кадрами - 700 мс; кількість циклів повторення - нескінченне)

Алгоритм зважених черг (Weighted Queuing) розроблений для того, щоб для всіх класів трафіку можна було надати певний мінімум пропускної здатності чи задовольнити вимоги до затримок.

Виважена обслуговування призводить до великих затримок та їх варіацій, ніж пріоритетне обслуговування для самого пріоритетного класу. Але для більш низьких пріоритетних класів це співвідношення може виявитися несправедливим, тому для створення більш сприятливих умов обслуговування всіх класів трафіку зважене обслуговування часто буває більш прийнятним.

Схема алгоритма виважених черг приведена на рис. 5.4.

Рисунок 5.4 - Алгоритм виважених черг

Виважена справедливе обслуговування (Weighted Fair Queing, WFQ) - це комбінований механізм, що поєднує пріоритетне обслуговування черг з виваженим. Існують різні реалізації WFQ, які відрізняються способом призначення ваг і підтримкою різних режимів роботи. Найбільш поширена схема передбачає існування однієї особливої черги, яка обслуговується за пріоритетною схемою, тобто першої і до тих пір, поки всі заявки з неї не будуть вибрані. Інші черги маршрутизатор переглядає послідовно, за алгоритмом зваженого обслуговування.

Схема алгоритма виваженого справедливого обслуговування приведена на рис. 5.5.

Рисунок 5.5 - Схема алгоритма виваженого справедливого обслуговування

6. ОПИС ОТРИМАНИХ РЕЗУЛЬТАТІВ ТА РЕЗУЛЬТАТІВ, ЩО ПЛАНУЮТЬСЯ

У ході роботи були проаналізовані існуючі методи забезпечення показників якості і обраний найбільш відповідний для подальших досліджень. Таким методом є побудова мережі на базі технології MPLS.

Надалі планується, використовуючи пакет моделювання OpNet, побудувати мережу на базі технології MPLS, щоб довести на практиці її перевагу. Що стосується алгоритмів обробки черг, то на даному етапі ведуться розробки з удосконалення методу зваженого справедливого обслуговування.

ВИСНОВКИ

Найбільш перспективними технологіями QoS є MPLS та Int-DiffServ завдяки тому, що об'єднують в собі кращі сторони обох моделей. Так, в MPLS за рахунок маршрутизації по мітках можливо більш гнучкий розподіл ресурсів мережі, що дозволяє використовувати декілька альтернативних шляхів доставки трафіку для створення високошвидкісних магістралей, об'єднання локальних мереж. У свою чергу, Int-DiffServ являє собою золоту середину співвідношення ціна / якість. Але і для цих технологій існують обмеження, що не дозволяють застосовувати ці методи. MPLS все ще слабо поширена і є дорогою технологією для корпоративних мереж, а Int-DiffServ вимагає певних витрат на реалізацію і не може забезпечити високих показників по сумісності.

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. Артюхова Е.А. Как обеспечить QoS в телефонных сетях с коммутацией пакетов [Электронный ресурс] / Е.А. Артюхова/ - Режим доступа к статье: http://student.km.ru/ref_show_frame.asp?id=3B0906D17D68457EA32D1AD51E959967
2. Вегешна Шринивас Качество обслуживания в сетях IP/ Ш.Вегешна. – М.: Вильямс, 2003. - 368 с.
3. Гольдштейн А. Б., Гольдштейн Б. С. Технология и протоколы MPLS/ А.Б. Гольдштейн, Б.С. гольдштейн —СПб.: БХВ, 2005. — 304 с.
4. Климов Д. А. Построение сетей MPLS VPN. T-Comm: Телекоммуникации и транспорт/ Д.А. Климов — №51 — 2009. — с. 57-59.
5. Коханович Г.Ф., Чуприн В.М. Сети передачи пакетных данных/ Г.Ф.Коханович, В.М. Чуприн. — К.:"МК-Пресс", 2006. — 272с.
6. Олифер В.Г., Олифер Н.А Новые технологии и оборудование IP-сетей/ В.Г. Олифер, Н.А. Олифер.— СПб: Издательство "Питер", 2001. — 512с.
7. Гольдштейн B.C., Пинчук А.В., СуховицкийА.Л. IP-Телефония/ В.С. Гольдштейн, А.В. Пинчук, А.Л. Суховицкий - М.: Радио и связь, 2001. - 336с
8. Олифер Н., Олифер В. Базовые технологии локальных сетей./Н.Олифер, В.Олифер – Центр Информационных Технологий, 1999
9. Семенов Ю.А. Telecommunication technologies - телекоммуникационные технологии [Электронный ресурс]/Ю.А. Семенов./ - Режим доступа к статье: http://book.itep.ru
10. Столлингс В. Современные компьютерные сети/В. Столлингс. - [2-е изд]. - СПб.: Питер, 2003. - 783 с.

ДОГОРИ