Обеспечение QoS в радиосети передачи данных

Автор: Кузеванов А.А., системный администратор Р.М.ТЕЛЕКОМ

В современных сетях передачи данных большое значение имеют службы реального времени (телефония, трансляция видео), предъявляющие повышенные требования к транспортной сети, параметры качества которой (QoS ) прямо влияют на степень удовлетворенности пользователей этими службами, и нередко определяют саму возможность предоставления служб реального времени со стороны операторов связи.

Поэтому нацеленный на успех оператор сети передачи данных использует такие технические средства и организационные приемы для построения и обслуживания своей сетевой инфраструктуры, которые позволяют обеспечить и поддерживать адекватный уровень качества работы транспортной сети, как в текущий момент, так и в обозримой перспективе.

С учетом вышесказанного, интересен опыт организации "сквозной" системы обеспечения QoS в мультисервисной сети оператора одной из крупнейших российских сетей радиодоступа – компании Р.М.ТЕЛЕКОМ.

Концепция обеспечения QoS

Система QoS в пакетной сети Р.М.ТЕЛЕКОМ выполнена в соответствии с принятым IETF стандартом DiffServ. Стандарт определяет организацию в сети так называемых DiffServ-доменов (областей), в рамках которых реализуется единое видение задачи обеспечения параметров QoS. То есть входящие в домен сетевые устройства действуют согласовано для поддержания требуемого уровня качества обслуживания трафика того или иного вида в рамках всей области.

Для осуществления этой идеи устройства на периметре DiffServ-области, согласно заданной оператором логике, сортируют входящие в него пакеты по заранее определенным классам обслуживания (Class of Service – CoS) и маркируют их специальными метками, используя для этого поле DiffServ Code Point (DSCP) в заголовке IP-пакета. Метка является отличительным признаком, который позволяет внутренним устройствам домена легко различать пакеты, требующие того или иного обращения (например, первоочередной передачи).

В пределах одного DiffServ-домена пограничные устройства действуют в единой логике классификации пакетов, а внутренние устройства придерживаются общих правил обработки пакетов разных классов, чем и обеспечивается работа системы QoS в целом.

Сеть Р.М.ТЕЛЕКОМ охвачена единым доменом DiffServ. Это означает, что между любыми точками подключения гарантируется соблюдение параметров QoS для трафика каждого типа.

Всего определено 4 класса трафика. К одному из классов (высокоприоритетному) относится трафик наложенной сети телефонии, к другому – трафик передачи данных. Остальные два класса зарезервированы для будущих применений и могут быть оперативно введены в строй путем дополнением правил классификации на пограничных устройствах, поскольку внутренние устройства домена уже готовы к корректной обработке трафика любого класса.

Архитектурное решение

Обратимся теперь к тому, как именно реализованы функции QoS.
Согласно современным представлениям о построении отказоустойчивых масштабируемых сетей, в сети Р.М.ТЕЛЕКОМ выделены следующие функциональные слои (см. рис.):

- уровень доступа к сетевым услугам;
- уровень распределения услуг;
- ядро сети.

Рис 1. Реализация функций QoS

Уровень доступа к сетевым услугам обеспечивает непосредственное физическое подключение и взаимодействие с сетевым интерфейсом оборудования конечного потребителя. В соответствии с этим, основное требование к оборудованию доступа – предоставление возможности подключения потенциальных клиентов наиболее доступным, удобным и наименее затратным способом.

Как представляется, наилучшим способом решения данной задачи является использование технологий радиодоступа, которые, с одной стороны, делают возможным оперативное доведение услуг буквально до каждого здания в пределах зоны обслуживания, с другой стороны, обладают достаточной широкополосностью для обеспечения потребностей находящихся там пользователей. Именно эта технология используется в качестве основного средства подключения клиентов сети Р.М.ТЕЛЕКОМ, построенной на оборудовании Motorola Canopy.

Как известно, в недалеком прошлом системы беспроводного радиодоступа (так называемый RadioEthernet) использовали коллизионный доступ к среде, в котором функции обеспечения QoS в рамках радиопротокола не были реализованы. Серия Motorola Canopy представляет собой новое поколение таких систем и использует характерный для устройств стандарта IEEE 802.16 (WiMAX) централизованный, детерминированный метод распределения ресурсов передачи, что дает возможность корректной обработки трафика разных классов на участке "последней мили".

Поскольку на уровне доступа клиентский трафик входит в сеть оператора, для максимального охвата системой QoS, именно здесь следует выполнять функции пограничных устройств DiffServ.

Действительно, маршрутизатор, устанавливаемый на стороне клиента, маркирует пакеты с голосовым трафиком, как принадлежащие высокоприоритетному классу, тогда как пакеты услуги передачи данных, будучи сравнительно нечувствительными к задержкам, относятся к стандартному классу обслуживания. Кроме того, осуществляется предварительное обнуление поля DSCP всех пакетов с тем, чтобы обеспечить надежную работу системы QoS в случае поступления на вход уже отмаркированного трафика. Таким образом, гарантируется, что далее в сети распространяется трафик с корректными метками в соответствии с сетевой политикой оператора.

Все остальные устройства – внутренние по отношению к DiffServ-домену, – уже не выполняют ресурсоемкую процедуру классификации, а лишь отрабатывают функции QoS. Так, устройства Motorola Canopy понимают значения поля DSCP и предоставляют трафику высокоприоритетного класса возможность первоочередной передачи по радиоканалу. При этом QoS фактически обеспечивается вплоть до индивидуального порта подключения клиента к сети.

Уровень распределения услуг решает задачу агрегации, то есть объединения на базовых станциях потоков данных отдельных клиентских устройств и передачу их далее к центральной части сети. Основное требование к этому уровню – быстро и надежно доставить трафик к ядру сети, обеспечивая при этом пропускную способность, достаточную для работы всех клиентов данной базовой станции.

В сети Р.М.ТЕЛЕКОМ эффективное выполнение этой задачи обеспечивается применением коммутаторов Ethernet и радиорелейных линий связи (РРЛ). Использование коммутаторов позволяет максимально ускорить передачу пакетов (в отличие от относительно ресурсоемкой маршрутизации), а РРЛ, обеспечивая необходимую широкополосность, обладают тем преимуществом, что для обеспечения надежной работы канала связи достаточно обеспечить надежность лишь оконечных устройств, тогда как в проводных приложениях к этому прибавляется забота о сохранении целостности физической линии.

Радиорелейные станции WOCCOM DGM работают в полном частотном дуплексе. В пределах своей полосы пропускания они также образуют безколлизионную среду передачи данных. Функция обеспечения QoS (обработки очереди передачи) выносится на подключенный к ним коммутатор.

Коммутаторы Ethernet – устройства второго уровня, и для повышения быстродействия они не анализируют содержимое IP-пакета. Следовательно, они не имеют доступа к полю DSCP, несущему информацию о классе обслуживания. Поэтому на маршрутизаторах распределения производится предварительное установление соответствия между полем DSCP IP-пакета и полем приоритета Ethernet-фрейма, формируемого в соответствии со стандартом IEEE 802.1Q. В дальнейшем отработка коммутаторами поля приоритета Ethernet-фрейма фактически отображает отработку поля DSCP инкапсулированного в нем IP-пакета.

Используемые коммутаторы Cisco Catalyst поддерживают до 4-х независимых классов обслуживания, предоставляя каждому их них тот или иной приоритет передачи. Таким образом, пакеты высокоприоритетного класса трафика телефонии будут всегда уходить в порт коммутатора в первую очередь, что будет повторяться на каждом этапе передачи (в случае следования трафика через несколько пролетов РРЛ) до его поступления к ядру сети.

Ядро сети – это область, в которой непосредственно осуществляется доступ к сетевым ресурсам, поддерживаемых оператором связи (таких как электронная почта, телефония, видеовещание и т.д.), а также сопряжение с сетями других поставщиков услуг.

Как и в любой высокотехнологичной сети, в основе ядра сети Р.М.ТЕЛЕКОМ используются производительные многоуровневые коммутаторы (применяется оборудование Cisco Systems), работающие в неблокирующем режиме на скорости интерфейса. Распределенное ядро сети объединено резервируемыми оптическими линиями связи Gigabit Ethernet, а потоки трафика организованны таким образом, что перегрузки интерфейсов не наблюдается. Все это означает, что необходимости в дополнительной отработке функций QoS нет, поскольку любой пакет передается немедленно, без ожидания в очереди передачи. Тем не менее, отличительный признак принадлежности транзитного пакета сохраняется и может быть использован при дальнейшем его прохождении по другим участкам сети.

Заключение

Будучи реализованной на всех уровнях сетевой инфраструктуры, система QoS обеспечивает соблюдение параметров качества доставки пакетов данных на всем пути их следования, что гарантирует высокий уровень сервиса для пользователей сети.

В частности, решение этой задачи позволяет предлагать сервис телефонии в любой точке сети передачи данных и поддерживать высокое качество передачи речи даже в условиях бурного роста числа пользователей данной услуги.

1) Как известно, к основным показателям QoS пакетных сетей относят: долю потерянных пакетов, среднее время задержки передачи и его среднеквадратическое отклонение.