Метод обеспечения гарантированного качества обслуживания в IP-сетях

Е.И. ЧЕРНЫШЕВСКАЯ,И.Ю. СЕЛЯНИНА

Обеспечение гарантированного качества обслуживания требует дополнительных затрат на управление и мониторинг сети, но при этом существует возможность предоставления абонентам услуги с заключением соглашения об уровне обслуживания SLA. Спрос на такие услуги растет, особенно среди корпоративных клиентов. В статье приведен пример использования метода динамического перераспределения полосы пропускания канала для обеспечения QoS, а также даны рекомендации по заключению SLA для предоставления услуги организации виртуальной частной сети корпоративным клиентам, как наиболее заинтересованной и платежеспособной аудитории.

В борьбе за привлечение клиентов операторам связи приходится уделять все больше внимания гарантированному качеству обслуживания. При этом все чаще возникает необходимость в повышении пропускной способности каналов между клиентами сети и серверами. Процесс развития оптических транспортных технологий дает основание предполагать, что будут построены сети с практически неограниченной пропускной способностью, в которых проблемы обеспечения требуемого качества обслуживания будут эффективно решаться без применения специальных механизмов. Другая точка зрения состоит в том, что какой бы ни была полоса пропускания сети, возникают все новые приложения (прежде всего, мультимедийные), быстро поглощающие эти излишки [1].

При регулярном снижении скорости доступа в Интернет недовольные качеством обслуживания клиенты жалуются и публикуют критику в адрес оператора в открытых блогах, что грозит операторам сокращением не только потенциальной, но и реальной абонентскойбазы. Однако, как показывает зарубежный опыт, своевременные меры по предотвращению подобных ситуаций и переход на эффективное использование ресурсов канала для обеспечения качества обслуживания могут существенно повысить конкурентоспособность оператора связи.

Исследования по изменению структуры трафика показали, что IP-телефония активно вытесняет традиционный междугородный трафик. На медийном рынке интерес пользователей к IPTV, несмотря на его достаточно высокую стоимость, обеспечивается за счет расширенного набора сервисов, таких как видео по запросу, видеомагнитофон, система записи эфирных телепередач, Time Shifted TV и др. В глобальном Интернет пространстве темпы роста видеотрафика опережают все остальные и, по исследованиям аналитического подразделения Cisco, к 2013 г. должны составить более 60% всего IP-трафика [2].

К сожалению, развитию IPTV в России препятствует низкое качество каналов у большинства операторов и отсутствие интерактивности. А ведь Интернет-технологии позволяют организовать полноценные каналы взаимодействия потребителя услуги IPTV с различными сферами общественной жизни: коммерцией, образованием, политикой, медициной и т.п. Известно, что видео особенно критично к потере IP-пакетов и/или их задержке. Уже сейчас существует необходимость перехода от 1GE, N*1GE к 10GE. Соответственно с развитием вышеописанных технологий возникает необходимость динамического перераспределения пропускной способности для обеспечения требуемого QoS приложениям реального времени.

Методы обеспечения QoS в сетях IP

В IP-сетях информация передается по принципу «наилучшей попытки» (besteff ort) независимо от типа информации. Для обеспечения гарантий качества обслуживания мультимедийного трафика уже достаточно давно ведется разработка новых протоколов и алгоритмов. В качестве примера такого развития можно привести протокол RSVP (протокол резервирования ресурсов), протокол взвешенной справедливой очередности WFQ, ввод системы принудительного сброса пакетов для предотвращения перегрузок мультиплексоров и другие механизмы.

Механизм Traffi cShaper позволяет ограничивать емкость в канале передачи данных, доступную тому или иному множеству информационных потоков. Однако устанавливаемые им ограничения действуют постоянно. В результате зачастую возникают ситуации, когда часть пропускной способности канала не используется, хотя в ней имеется потребность. В этом случае более эффективным решением было бы перераспределение неиспользуемой емкости между потоками тех групп, которые достигли своих ограничений.

Была разработана модель предоставления интегрированных услуг (IntServ), основанная на принципе интегрированного резервирования ресурсов для поддержки приложений реального времени, чувствительных к задержкам, но и она не свободна от ситуации, когда зарезервировать емкость для большого количества соединений окажется невозможно из-за ограниченности телекоммуникационных ресурсов. При этом резервирование емкости каналов для некоторых потоков отрицательно сказывается на качестве обслуживания остальных потоков даже в периоды, когда зарезервированная емкость временно не используется [1].

Во второй половине 1990-х гг. (именно в этот период отмечался взрывной рост Интернета) начались работы по созданию моделей и механизмов предоставления дифференцированных услуг (Diff Serv). Дифференцированный уровень обслуживания может задаваться как в терминах некоторых количественных параметров (пропускная способность, допустимые величины задержек и потерь пакетов), так и в терминах приоритетов одних служб по отношению к другим. Архитектура Diff Serv позволяет организовать внутри Diff Serv-домена несколько виртуальных служб передачи информации, которые будут выполнять пересылку потоков данных, обеспечивая при этом максимально возможное соответствие параметров передачи тем или иным классам обслуживания (но без гарантии полного соответствия) [3].

Использование метода динамического перераспределения ресурсов сети позволяет одновременно обеспечить гарантированное качество обслуживания высокоприоритетных потоков и перераспределять «простаивающую емкость» одних потоков в пользу других. Тем самым обеспечивается повышение качества обслуживания «страдающих» потоков.

Система управления качеством обслуживания в IP-сетях

Обеспечить гарантированное качество услуг в сети с множеством разнотипных потоков информации и с любой пропускной способностью возможно только при наличии высокоэффективной системы управления. Для выполнения очередного запроса с требуемым качеством система должна мобилизовать все имеющиеся ресурсы, в том числе выделенные для других пользователей. В противном случае пользователь вправе потребовать компенсации.

Общая схема функционирования технологии динамического управления ресурсами сети состоит в следующем. Каждому классу услуг назначается приоритет и скорость обслуживания, в сумме не превышающая значение пропускной способности канала. Критерием QoS в рамках данной статьи служит среднее время задержки пакета. В сети существует система контроля загрузки канала, которая информирует оператора при нарушении параметров QoS. Если интенсивность поступления заявок на передачу данных в одном из классов (или в нескольких) превышает выделенные ему ресурсы, то обслужить дополнительно сгенерированный трафик не представляется возможным. В этом случае возникает задача перераспределения маршрутизаторами скорости обслуживания таким образом, чтобы было удовлетворено качество услуг максимально возможного числа классов.

На основе данных о количестве соединений рассчитывается емкость, необходимая для обеспечения требуемого уровня QoS при доступе к этим службам, и вычисляется остаточная емкость, доступная для распределения в соответствии с заданной политикой другим классам. При этом для всех услуг должны быть соблюдены ограничения на абсолютное значение задержки пакетов, и в каждый момент времени обеспечивается максимальное использование емкости сети. Таким образом, описанные действия предотвращают нарушение условий соглашения SLA (Service Level Agreement) [4].

Рассмотрим пример расчетов по указанному методу. Для этого классы обслуживания были распределены следующим образом:

- класс 1 – предоставление услуги пользования Интернет-ресурсами для частных лиц (просмотр Web-сайтов, электронная почта, FTP, Torrent и др.);

- класс 2 – предоставление услуги организации виртуальной частной сети для корпоративных клиентов (VPN);

- класс 3 – потоковый трафик (IP-телевидение и видео по запросу);

- класс 4 – интерактивный трафик (IP-телефония, видеоконференцсвязь).

На сегодняшний день эффективной загрузкой полосы пропускания считается 70% использования одного канала. В качестве примера рассматривается канал Ethernet 1 Гбит/с. Исходные расчетные данные (скорость обслуживания и приоритет), зависящие от числа пользователей сети и требуемой емкости на один поток, а также данные об испытываемой задержке пакетов в момент времени t приведены в табл. 1.

Таблица 1. Значения параметров для каждого класса обслуживания

Согласно табл. 1, для 4-го класса услуг, чувствительного к задержке пакетов, не соблюдаются ограничения QoS, и это отражается на качестве предоставляемой потребителям услуги. При этом для остальных классов проблем с задержками не наблюдается: классы 1 и 2 задействуют ресурсы канала таким образом, что в данный момент времени задержка для них составляет меньше ограничительной величины, соответственно существует возможность использовать выделенные им ресурсы с целью снижения задержки для класса 4.

Далее проводится оценка доли предоставляемых ресурсов в пользу «страдающего» класса (см. рисунок).

Очевидно, что для первого класса услуг доля отдаваемых ресурсов достигает 22%, для класса 2 это значение составляет 6%, при превышении этих пределов для них также нарушатся QoSограничения.

Расчет новых скоростей обслужива- ния с учетом задержки и определение оптимального варианта, отвечающего требованиям QoS и эффективности использования емкости, позволили получить итоговое распределение ресурсов в момент времени t (табл. 2).

Таблица 1. Значения параметров для каждого класса обслуживания

Авторами работы [4] данная методика была проверена с использованием сетевого симулятора NS2. Исследование показало, что средняя задержка пакетов каждого класса до и после применения алгоритма перераспределения улучшается приблизительно на 28%. Разумно предположить, что значение этого параметра варьируется в зависимости от топологии сети, структуры передаваемого трафика, используемых сетевых технологий, оборудования и т.д., но в целом эффект применения метода очевиден.

Заключение SLA на российском рынке осуществляется операторами в виде исключения, и обычно возмещение неустойки предполагается лишь за непредоставленный сервис за определенный промежуток времени. Понятие компенсации недополученной выгоды/прибыли/выручки или компенсации заказчику тех средств, которые он потерял во время отсутствия связи, фактически не практикуется [5]. Таким образом, операторы, следующие зарубежному опыту и идущие по пути заключения таких соглашений, могут обеспечить себе значительные конкурентные преимущества.

Наиболее заинтересованными в данной услуге абонентами являются корпоративные клиенты, желающие организовать виртуальную частную сеть для своих филиалов и иметь при этом скоростной доступ к Интернетресурсам. К основным показателям, характеризующим уровень обслуживания при оказании услуги VPN, относятся надежность (гарантированное время восстановления контролируемого направления канала связи) и качество обслуживания (коэффициент потери пакетов, время задержки пакетов, вариация времени задержки пакетов).

Стоимость SLA-соглашения зависит от уровня предоставляемого сервиса. Исследование рынка этой услуги показало, что стоимость услуг при заключении SLA в 2–3 раза выше. Это обусловлено тем, что SLA-соглашения наиболее полно учитывают индивидуальные требования заказчика и, как правило, предусматривают значительно больший объем работ.

Исходя из требований, предъявляемых пользователями, можно сформулировать следующие общие свойства, характеризующие качество конечного продукта отрасли связи:

- скорость передачи информации;

- точность передачи и воспроизведения, достоверность и сохранность сообщений;

- сконфиденциальность передачи информации;

- доступность средств и услуг связи;

- удобство пользования, эстетичность и экологическая безопасность.

Для оценки качества услуг оператор может предоставить пользователю статистические данные, собираемые системой мониторинга и управления конфигурацией сети, или же организовать проверку измерений с помощью уполномоченного органа в соответствии с международными стандартами [6].

Кроме того, может быть использован вариант «плавающей» скидки в зависимости от доли отклонения от установленных пределов по аналогии с условиями скидок, применяемыми американским оператором связи Qwest [5].

При заключении SLA возникает проблема обеспечения QoS в случае участия нескольких поставщиков в предоставлении услуги. Тогда существует оговорка, что оператор гарантирует качество только при условии организации связи на его территории покрытия. Для гарантии сквозного качества обслуживания через сети любых операторов необходимо заключение аналогичного соглашения между операторами связи.

Анализ изменения структуры абонентского трафика показал, что в связи с ростом чувствительных к задержкам мультимедийных приложений изменяются требования к полосе пропускания и повышаются требования к качеству обслуживания.

Обеспечение гарантированного качества обслуживания требует дополнительных затрат на управление и мониторинг сети, но при этом существует возможность предоставления абонентам услуги с заключением соглашения об уровне обслуживания SLA, стоимость которой, как правило, в два раза выше. Спрос на такие услуги растет, особенно среди корпоративных клиентов.

При использовании технологии динамического перераспределения ресурсов канала можно повысить пропускную способность канала до 90%, что на 20% превышает существующий уровень. Это, в свою очередь, позволит подключить дополнительное число абонентов к тому же сегменту сети. При этом с ростом качества обслуживания запросов потребителей повышается лояльность существующих абонентов, что позволяет ожидать дополнительного притока абонентов за счет бесплатной дружеской рекламы и, как следствие, роста доходов операторов. За счет повышения производительности сети для приложений P2P и Internet Video Streaming удовлетворенные услугой клиенты не уходят к конкурентам, что обеспечивает оператору уверенность в получении ежемесячного дохода за счет абонентской платы. Кроме того, заключение соглашений об уровне обслуживания дает оператору конкурентные преимущества на рынке предоставления услуг широкополосного доступа.

Литература

1. Яновский Г.Г. Современные проблемы науки в области телекоммуникаций (эволюция и конвергенция): Электронный учебник. СПб.: СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, 2008. 163 с.

2. Рекомендации Cisco по развитию сети ШПД МРК, Cisco Visual Networking Index– Forecast, 2008–2013.

3. Рекомендации RFC 2475 – Архитектура дифференцированного обслуживания (Diff Serv).

4. Louta M., Michalas A., Loumos V. Quality of Service Management in IP networks // Contel. 2003.

5. Левин В. Зарубежный опыт использования SLA // http://www.cisp.org.ua/cisp/ news.nsf – Center for Information and Social Programs.

6. Рекомендации ITU-T E.860 (06/2002) Framework of a service level agreement.