7. Лекция: Качество обслуживания в сетях IP-телефонии.

Обсуждается тема, связанная с качеством обслуживания в IP-сетях. Указываются определения, описаны методики определения качества в IP-сетях. Обсуждаются протоколы, с помощью которых реализуется уровень качественного обслуживания. Приведено сравнение различных технологий обеспечения качества IP-услуг. Вводится понятие очередей и "алгоритмов борьбы" с ними.

7.1. Понятие QoS

Сети с коммутацией пакетов на основе протокола IP не обеспечивают гарантированной пропускной способности, поскольку не гарантируют доставку.

Для приложений, где не важен порядок и интервал прихода пакетов, время задержек между отдельными пакетами не имеет решающего значения. IP-телефония является одной из областей передачи данных, где важен порядок прихода пакетов и важна динамика передачи сигнала, которая обеспечивается современными методами кодирования и передачи информации. Транспортные протоколы стека TCP/IP, функционирующие поверх протокола IP, не обеспечивают высокого качества обслуживания трафика, чувствительного к задержкам. Протокол TCP, хоть и гарантирует достоверную доставку информации, но переносит ее с непредсказуемыми задержками. Протокол UDP, который, как правило, используется для переноса информации в реальном времени, обеспечивает меньшее, по сравнению с протоколом TCP, время задержки, но, как и протокол IP, не содержит никаких механизмов обеспечения качества обслуживания.

Вместе с тем необходимо обеспечить механизмы, по которым в периоды перегрузки пакеты с информацией, чувствительной к задержкам (например, речь), не будут простаивать в очередях или получат более высокий приоритет, чем пакеты с информацией, не чувствительной к задержкам. Для этой цели в сети должны быть реализованы механизмы, гарантирующие нужное качество обслуживания (Quality of Service - QoS).

Объективными, измеряемыми или рассматриваемыми показателями качества являются:

- изменение задержки в сети; 
- пропускная способности сети.

Время отклика оценивается по:

- промежутку времени от момента передачи пакета до момента приема подтверждения;
- времени задержки однонаправленного сквозного соединения, также называемой временем запаздывания latency; 
- пропускной способности.

Готовность и надежность оценивается по:

- возможности получения доступа к ресурсам сети или коэффициенту использования;
- результатам контроля уровня обслуживания 24/7 (при режиме работы 24 часа в сутки, 7 дней в неделю).

Меры обеспечения QoS, применяемые в IP- сетях:

1. Резервирование ресурсов (на время соединения запрашиваются и резервируются необходимые для выполнения приложения ресурсы).

2. Приоритезация трафика (разделение трафика в сети на классы с приоритетным порядком обслуживания некоторых из них).

3. Перемаршрутизация (позволяет при перегрузке в сети перевести трафик на резервный маршрут; именно этим способом обеспечивается QoS в подавляющем большинстве контроллеров SBC).

В современных IP-сетях перечисленные меры реализуются с помощью технологий IntServ, DiffServ и MPLS с использованием протокола RSVP.

7.2. Трафик реального времени в IP-сетях

Как правило, большую часть VoIP-трафика составляют потоки информации, чувствительной к задержкам. Максимальная задержка не должна превышать 250 мс, причем сюда входит и время обработки информации на конечной станции. Вариацию задержки (джиттер) также необходимо свести к минимуму. Кроме того, необходимо учитывать, что при сжатии информация становится более чувствительной к ошибкам, возникающим при передаче, и их нельзя исправлять путем переспроса именно из-за необходимости передачи в реальном времени.

Общая задержка речевой информации делится на две основные части - задержка при кодировании и декодировании речи в шлюзах или терминальном оборудовании пользователей и задержка, вносимая самой сетью. Уменьшить общую задержку можно двумя путями: во-первых, спроектировать инфраструктуру сети таким образом, чтобы задержка в ней была минимальной, и, во-вторых, уменьшить время обработки речевой информации шлюзом.

Для уменьшения задержки в сети нужно сокращать количество транзитных маршрутизаторов и соединять их между собой высокоскоростными каналами. А для сглаживания вариации задержки можно использовать такие эффективные методы, как, например, механизмы резервирования сетевых ресурсов.

Одним из способов избежать того, чтобы речь и другая информация, требующая передачи в режиме реального времени, не простаивала в очередях наравне со статической информацией (обычные, не голосовые данные), является выделение и сортировка пакетов, содержащих голосовую информацию.

7.3. Дифференцированное обслуживание разнотипного трафика - Diff-Serv

Опция DiffServ позволяет классифицировать пакеты из трафика, идущего в локальную сеть. Работа DiffServ основывается на идентификаторе DSCP, представляющем собой первые 6 бит поля TOS. DSCP определяет, как будут перенаправляться пакеты в DiffServ-сети (PHB, Per-hop Behavior). Изменяя значение этого идентификатора, различные виды трафика можно распределить по приоритетам в очереди.

Модель Diff-Serv описывает архитектуру сети как совокупность пограничных участков и ядра. Пример сети согласно модели Diff-Serv приведен на рисунке 7.1.

Поступающий в сеть трафик классифицируется и нормализуется пограничными маршрутизаторами. Нормализация трафика предусматривает измерение его параметров, проверку соответствия заданным правилам предоставления услуг, профилирование (при этом пакеты, не укладывающиеся в рамки установленных правил, могут быть отсеяны) и другие операции. В ядре сети магистральные маршрутизаторы обрабатывают трафик в соответствии с классом PHB, код которого указан в поле DS.

Достоинства модели Diff-Serv:

• обеспечивает единое понимание того, как должен обрабатываться трафик определенного класса;
• позволяет разделить весь трафик на относительно небольшое число классов и не анализировать каждый информационный поток отдельно;
• нет необходимости в организации предварительного соединения и в резервировании ресурсов;
• не требуется высокая производительность сетевого оборудования.

К настоящему времени для Diff-Serv определено два класса трафика:

• класс срочной пересылки пакетов (Expedited Forwarding PHB Group);
• класс гарантированной пересылки пакетов (Assured Forwarding PHB Group).

Механизм обеспечения QoS на уровне сетевого устройства, применяемый в Diff-Serv, включает в себя следующие операции. Сначала пакеты классифицируются на основании их заголовков. Затем они маркируются в соответствии с произведенной классификацией (в поле приоритета Diff-Serv в зависимости от маркировки выбирается алгоритм передачи, при необходимости - с выборочным удалением пакетов), позволяющий избежать заторов в сети. Заключительная операция чаще всего состоит в организации очередей с учетом приоритетов.

7.4. Интегрированное обслуживание IntServ

IntServ (Integrated Services) больше подходит для концентрации трафика в пограничной сети IP и не рекомендована для применения в транзитных сетях IP (из-за проблем с масштабируемостью).

Модель с интеграцией услуг была предложена в начале 90-х годов и разрабатывалась для обслуживания единичных потоков, которым предоставляется два вида услуг: гарантированные и с управляемой нагрузкой. Гарантированные услуги позволяют обеспечить определенному объему трафика поддающееся количественному вычислению максимальное значение задержки при прохождении пакетов из конца в конец. Услуги с управляемым уровнем нагрузки предоставляют определенному объему трафика обслуживание best-effort при виртуальной низкой сетевой нагрузке без строгих гарантий.

Рассмотрим структурную схему IntServ (рис. 7.2).

Рис. 7.2.  Модель IntServ

В каждом узле, поддерживающем IntServ, должно быть несколько обязательных элементов:

- классификатор - направляет поступающий пакет в один из классов обслуживания согласно информации, полученной из заголовков (сетевого и транспортного уровней) пакета. Класс обслуживания реализуется в виде отдельной очереди. Все пакеты в пределах одного класса обслуживания должны получать одинаковый QoS; 
- диспетчер пакетов - извлекает из каждой очереди пакеты и направляет их на канальный уровень. Для IntServ предложен двухступенчатый диспетчер пакетов. Все поступающие пакеты обрабатываются в соответствии с дисциплиной обслуживания WFQ для изоляции потоков, получающих гарантированные услуги, от всех остальных. Потоки с управляемой нагрузкой и потоки best-effort разделяются с помощью приоритетов; 
- блок управления доступом (admission control) - принимает решения о возможности получения трафиком требуемого количества ресурсов, не влияя при этом на ранее предоставленные гарантии. Управление доступом выполняется на каждом узле для принятия или отклонения запроса на выделение ресурсов по всему пути прохождения потока; 
- протокол резервирования ресурсов - информирует участников соединения (отправителя, получателя, промежуточные маршрутизаторы) о требуемых параметрах обслуживания. Для модели IntServ рекомендуется использовать протокол RSVP.

Сервисная модель IntServ в сочетании с RSVP (см. далее) позволяет организовать гибкое обслуживание разнотипного трафика, максимально учитывая потребности каждого приложения, а использование WFQ для обслуживания пакетов гарантирует максимально допустимое значение задержки. Эта особенность делает IntServ идеальной для обслуживания мультимедийного трафика.

Однако высокая гибкость и "желание" удовлетворить потребности единичных потоков являются источником слабых мест IntServ. Основным недостатком модели считается низкая масштабируемость. Производительность IntServ зависит от количества обрабатываемых потоков, следовательно, такую сервисную модель практически невозможно реализовать в сети с миллионами пользователей! Поэтому для больших сетей нужна более простая и масштабируемая технология, а область применения IntServ ограничилась внутренними и оконечными сетями.

Но самый большой недостаток IntServ связан с масштабируемостью RSVP, особенно в высокоскоростных магистральных сетях. Действительно, объем ресурсов, которые необходимы маршрутизатору для обработки и хранения информации RSVP, увеличивается пропорционально количеству потоков QoS. Измерения трафика показывают, что большинство соединений IP "из конца в конец" существует очень недолго, и в каждый момент времени магистральным маршрутизатором поддерживается несколько тысяч активных соединений. Следовательно, многочисленные потоки IntServ в канале с большой пропускной способностью значительно увеличивают нагрузку на маршрутизаторы. Более того, каждый раз при изменении топологии все зарезервированные пути необходимо прокладывать заново.

7.5. Интегро-дифференцированное обслуживание трафика

Опубликованный в 2000 г. стандарт RFC2998 описывает принципы организации взаимодействия IntServ/RSVP и DiffServ для предоставления QoS из конца в конец. Слабые места одной модели компенсируются соответствующими решениями другой. С одной стороны, плохо масштабируемая IntServ на магистральных участках сети может быть заменена на более простую DiffServ, с другой стороны, с помощью RSVP может решаться (если не полностью, то в большей степени) проблема с неопределенностью получаемого сервиса в "чистой" DiffServ-сети.

Рис. 7.3.  Модель DiffServ + IntServ

Основная проблема при взаимодействии - соответствие ресурсов, запрашиваемых с помощью RSVP и предоставляемых в DiffServ-регионе (так называется непрерывная последовательность DiffServ-доменов, в пределах которых могут предоставляться дифференцированные услуги). Для реализации отображения ресурсов был предложен ряд решений.

Возможна организация двух вариантов взаимодействия протоколов качества обслуживания:

- DiffServ-регион не поддерживает RSVP-сигнализацию, и ресурсы выделяются на статической основе;
- обработка RSVP-сообщений производится в DiffServ-регионе.

В первом случае совместная работа основана на статическом соглашении клиента с оператором SLS (спецификация уровня сервиса). В простейшей ситуации оно описывает значение пропускной способности, получаемое трафиком пользователя, в DiffServ-сети. В этом случае (рис. 7.3) Tx (отправитель) генерирует сообщения Path, которые направляются к узлу Rx (получатель) через DiffServ-регион.

При прохождении через DiffServ-регион содержимое RSVP-сообщений игнорируется, и они пересылаются как обычный пакет с данными. При получении узлом Rx сообщения Path генерируется запрос на резервирование RESV, который затем направляется обратно к узлу Tx. В случае успешной обработки запроса каждым RSVP-совместимым маршрутизатором и прохождения через DiffServ-регион сообщение RESV достигает маршрутизатора Er1. Er1 на основании SLS производит сравнение ресурсов, запрашиваемых в сообщении RESV, и ресурсов, доступных в DiffServ-регионе. Если Er1 подтверждает запрос, сообщение RESV отсылается далее по направлению к узлу Tx. В ином случае сообщение отвергается, и узлу Rx отправляется сообщение об ошибке. В полученном узлом Tx сообщении может содержаться информация о маркировании соответствующим кодом пакетов, адресуемых в узел Rx. Значение кода определяется по умолчанию или из сообщения RESV.

Во втором варианте предполагается, что пограничные маршрутизаторы в DiffServ-регионе (например, маршрутизатор Br1) поддерживают протокол RSVP. Отметим, что, несмотря на поддержку RSVP-сигнализации, обрабатываются только агрегированные потоки, а не единичные, как в сети IntServ/RSVP. Порядок обмена RSVP-сообщениями такой же, как и в предыдущем случае. Однако благодаря поддержке RSVP в DiffServ-регионе блок управления доступом является частью DiffServ-сети. В результате маршрутизатор Br1 имеет возможность непосредственно обработать RSVP-запрос, исходя из доступности ресурсов.

По-видимому, совместная работа IntServ и DiffServ является оптимальным вариантом для предоставления требуемого QoS из конца в конец. Реализация такой модели позволит ликвидировать причину низкого качества мультимедийных услуг на основе IP-протокола и повысить производительность традиционных сервисов.

7.6. Протокол резервирования ресурсов - RSVP

Одним из средств обеспечения качества IP-телефонии и особенно интернет-телефонии является использование протокола резервирования ресурсов (Resource Reservation Protocol, RSVP), рекомендованного комитетом IETF. С помощью RSVP мультимедиа-программы могут потребовать специального качества обслуживания (specific quality of service - QoS) посредством любого из существующих сетевых протоколов - главным образом IP, хотя возможно использовать и UDP, - чтобы обеспечить качественную передачу видео- и аудиосигналов. Протокол RSVP предусматривает гарантированное QoS благодаря тому, что через каждый компьютер, или узел, который связывает между собой участников телефонного разговора, может передаваться определенное количество данных.

Протокол RSVP предназначен только для резервирования части пропускной способности. Используя RSVP, отправитель периодически информирует получателя о свободном количестве ресурсов сообщением RSVP Path (рис. 7.4). Транзитные маршрутизаторы по мере прохождения этого сообщения также анализируют имеющееся у них количество свободных ресурсов и подтверждают его соответствующим сообщением RSVP Resv, передаваемым в обратном направлении. Если ресурсов достаточно, то отправитель начинает передачу. Если ресурсов не достаточно, получатель должен снизить требования или прекратить передачу информации.

Рис. 7.4.  Применение протокола RSVP

RSVP - это протокол сигнализации, который обеспечивает резервирование ресурсов для предоставления в IP-сетях услуг эмуляции выделенных каналов. Протокол позволяет системам запрашивать, например, гарантированную пропускную способность такого канала, предсказуемую задержку, максимальный уровень потерь. Но резервирование выполняется лишь в том случае, если имеются требуемые ресурсы.

Одной из особенностей RSVP является то, что запросы на резервирование ресурсов направляются только от получателей данных отправителям, а не наоборот. Такой подход обусловлен тем, что лишь устройство-получатель знает, с какой скоростью оно должно получать данные, чтобы надежно декодировать аудио- или видеосигналы. Другая особенность RSVP - резервирование производится лишь для одного направления. Кроме того, RSVP не допускает смешения аудио- и видеосигналов на зарезервированном канале.

Когда RSVP-программы закончат сеанс связи, они должны вызвать функцию отмены, предусмотренную этим протоколом. Отмена аннулирует все запросы на ресурсы, сделанные программой, и позволяет другим прикладным программам использовать коммуникационные возможности Интернета. Если программе не удается выполнить отмену, то предусмотренные протоколом средства по истечении некоторого промежутка времени обнаружат это и автоматически отменят запрос на ресурсы.

Недостатком протокола RSVP является то, что полоса пропускания, выделяемая источнику информации, при снижении активности источника не может быть использована для передачи другой информации. Поскольку для реализации QoS протокол RSVP требует резервирования ресурсов или каналов связи, небрежные или безответственные пользователи могут захватить ресурсы сети, инициируя несколько сеансов QoS подряд. Как только канал зарезервирован, он становится недоступным для других пользователей, даже если тот, кто его затребовал, ничего не передает. К сожалению, в RSVP отсутствует четкий механизм предотвращения подобных ситуаций, и решение этой проблемы возлагается на сетевых администраторов. Очевидно, что необходимо предусмотреть более жесткий контроль, чтобы RSVP имел успех.

7.7. Технология MPLS

MPLS (Multiprotocol Label Switching) - это технология быстрой коммутации пакетов в многопротокольных сетях, основанная на использовании меток. MPLS разрабатывается и позиционируется как способ построения высокоскоростных IP-магистралей, однако область применения технологии не ограничивается протоколом IP, а распространяется на трафик любого маршрутизируемого сетевого протокола.

Традиционно главными требованиями, предъявляемыми к технологии магистральной сети, были высокая пропускная способность, малое значение задержки и хорошая масштабируемость.

Архитектура MPLS обеспечивает построение магистральных сетей, имеющих практически неограниченные возможности масштабирования, повышенную скорость обработки трафика и высокую гибкость с точки зрения организации дополнительных сервисов. Кроме того, технология MPLS позволяет интегрировать сети IP и АТМ, за счет чего поставщики услуг смогут не только сохранить средства, инвестированные в оборудование асинхронной передачи, но и извлечь дополнительную выгоду из совместного использования этих протоколов.

Принцип коммутации

В основе MPLS лежит принцип обмена меток. Любой передаваемый пакет ассоциируется с тем или иным классом сетевого уровня (FEC), каждый из которых идентифицируется определенной меткой. Значение метки уникально лишь для участка пути между соседними узлами сети MPLS, которые называются также маршрутизаторами, коммутирующими по меткам (LSR). Метка передается в составе любого пакета, причем способ ее привязки к пакету зависит от используемой технологии канального уровня.

Рис. 7.5.  Схема коммутации MPLS

Маршрутизатор LSR получает топологическую информацию о сети. Затем он начинает взаимодействовать с соседними маршрутизаторами, распределяя метки, которые в дальнейшем будут применяться для коммутации. Обмен метками может производиться с помощью как специального протокола распределения меток (LDP), так и модифицированных версий других протоколов сигнализации в сети.

Распределение меток между LSR приводит к установлению внутри домена MPLS путей с коммутацией по меткам (Label Switching Path, LSP). Каждый маршрутизатор LSR содержит таблицу, которая ставит в соответствие паре "входной интерфейс - входная метка" тройку "префикс адреса получателя - выходной интерфейс - выходная метка". Получая пакет, LSR по номеру интерфейса, на который пришел пакет, и по значению привязанной к пакету метки определяет для него выходной интерфейс. Старое значение метки заменяется новым, содержавшимся в поле "выходная метка" таблицы, и пакет отправляется к следующему устройству на пути LSP.

Вся операция требует лишь одноразовой идентификации значений полей в одной строке таблицы. Это занимает гораздо меньше времени, чем сравнение IP-адреса отправителя с наиболее длинным адресным префиксом в таблице маршрутизации, которое используется при традиционной маршрутизации.

Преимущества технологии MPLS:

- отделение выбора маршрута от анализа IP-адреса (дает возможность предоставлять широкий спектр дополнительных сервисов при сохранении масштабируемости сети); - ускоренная коммутация (сокращает время поиска в таблицах);
- гибкая поддержка QoS , интегрированных сервисов и виртуальных частных сетей;
- эффективное использование явного маршрута;
- сохранение инвестиций в установленное ATM-оборудование;
- разделение функциональности между ядром и граничной областью сети.

Сеть MPLS подразделяется на две функционально различные области - ядро и граничную область (см. рис. 7.5). Ядро образуют устройства, минимальным требованием к которым является поддержка MPLS и участие в процессе маршрутизации графика для того протокола, который коммутируется с помощью MPLS. Маршрутизаторы ядра занимаются только коммутацией. Все функции классификации пакетов по различным FEC, а также реализацию таких дополнительных сервисов, как фильтрация, явная маршрутизация, выравнивание нагрузки и управление трафиком, берут на себя граничные LSR. В результате интенсивные вычисления приходятся на граничную область, а высокопроизводительная коммутация выполняется в ядре, что позволяет оптимизировать конфигурацию устройств MPLS в зависимости от их местоположения в сети.

Таким образом, главная особенность MPLS - отделение процесса коммутации пакета от анализа IP-адресов в его заголовке, что открывает ряд привлекательных возможностей. Очевидным следствием описанного подхода является тот факт, что очередной сегмент LSP может не совпадать с очередным сегментом маршрута, который был бы выбран при традиционной маршрутизации. Поскольку на установление соответствия пакетов определенным классам FEC могут влиять не только IP-адреса, но и другие параметры, можно реализовать, например, назначение различных LSP пакетам, относящимся к различным потокам RSVP или имеющим разные приоритеты обслуживания. Конечно, подобный сценарий удается осуществить и в обычных маршрутизируемых сетях, но решение на базе MPLS проще и к тому же гораздо лучше масштабируется.

Каждый из классов FEC обрабатывается отдельно от остальных - не только потому, что для него строится свой путь LSP, но и в смысле доступа к общим ресурсам (полосе пропускания канала и буферному пространству). В результате технология MPLS позволяет очень эффективно поддерживать требуемое качество обслуживания, не нарушая предоставленных пользователю гарантий. Применение в LSR таких механизмов управления буферизацией и очередями, как WRED, WFQ или CBWFQ, дает возможность оператору сети MPLS контролировать распределение ресурсов и изолировать трафик отдельных пользователей.

Использование явно задаваемого маршрута в сети MPLS свободно от недостатков стандартной IP-маршрутизации от источника, поскольку вся информация о маршруте содержится в метке и пакету не требуется нести адреса промежуточных узлов, что улучшает управление распределением нагрузки в сети.

7.8. Сравнение технологий IntServ, DiffServ, MPLS

Так как для обеспечения качества только анализируется поле заголовка пакета IP и не используются никакие вспомогательные протоколы сигнализации, то проблема совместимости оборудования разных производителей неактуальна.

Технология DiffServ может использоваться в транзитной сети. Но в условиях однородного трафика, например только голосового, принцип применения приоритетов теряет смысл и сеть начинает работать в режиме Best Effort.

MPLS (многопротокольная коммутация по меткам) предназначена для ускорения коммутации пакетов в транспортных сетях. Основное отличие этой технологии от рассмотренных ранее в том, что MPLS изначально не является технологией обеспечения качества и становится таковой только при использовании протокола RSVP-TE.

На границе сети MPLS маршрутизаторы помечают пакеты специальными метками, определяющими дальнейший маршрут следования пакета к месту назначения. В результате анализируются не адреса IP, а короткие цифровые метки, что существенно снижает сетевую задержку и требования к производительности маршрутизаторов. Для корректного взаимодействия их между собой и обмена информацией о создаваемых метках используются протоколы распределения меток (LDP, CR-LDP, RSVP-TE и др.).

Маршрут может также задаваться административно. В этом случае заранее определяется весь перечень узлов, через которые он будет проходить. Если для соединения требуется гарантия определенного уровня качества, то для распределения меток применяется протокол RSVP-TE, и на маршруте резервируются необходимые ресурсы. В RSVP-TE предусмотрены контроль и обновление установленного соединения, так что в случае повреждения в сети можно динамически перевести потоки трафика на резервный маршрут.

Технология MPLS характеризуется высокой масштабируемостью и рассматривается в качестве наиболее перспективной для передачи трафика IP. Она стандартизована IETF, поэтому, как и в случае с IntServ, при отклонении от спецификаций могут возникнуть проблемы с совместимостью оборудования разных производителей.

7.9. Обслуживание очередей

Алгоритмы обслуживания очередей позволяют предоставлять разный уровень QoS трафику разных классов. Обычно используется несколько очередей, каждая из которых занимается пакетами с определенным приоритетом. Требуется, чтобы высокоприоритетный трафик обрабатывался с минимальной задержкой, но при этом не занимал всю полосу пропускания, и чтобы трафик каждого из остальных типов обрабатывался в соответствии с его приоритетом.

Обслуживание очередей включает в себя алгоритмы:

• организации очереди;
• обработки очередей.

7.9.1. Алгоритмы организации очереди

Существует два основных алгоритма организации очереди: Tail Drop и Random Early Detection.

Алгоритм Tail Drop

Tail drops - отсечения конца очереди. Задается максимальный размер очереди (в пакетах или в байтах). Когда очередь полна, ни один вновь поступивший пакет туда уже не помещается и потому отбрасывается. Такое управление очередью приводит к повторной синхронизации параметров соединения. После синхронизации TCP сразу посылает столько пакетов, сколько допускает размер окна подтверждения. Подобный всплеск нагрузки опять приводит к отсечению конца очереди, что опять порождает необходимость повторной синхронизации.

Чтобы избежать возникновения заторов, на маршрутизаторах зачастую организуются очереди большого размера. К сожалению, несмотря на то что увеличение размеров очереди благоприятно сказывается на пропускной способности, большие очереди могут приводить к увеличению времени задержки, что становится причиной нестабильного поведения TCP-соединений.

Алгоритм Random Early Detection (RED)

RED позволяет более "справедливо" разделить канал между TCP-соединениями. Он позволяет контролировать нагрузку с помощью выборочного случайного уничтожения некоторых пакетов до того, как очередь будет заполнена полностью и протоколы, подобные TCP, начнут снижать скорость передачи, а также предотвращает повторную синхронизацию. Кроме того, выборочная "потеря" пакетов помогает TCP быстрее найти подходящую скорость передачи данных и удерживать размер очереди и время задержки на разумном уровне. Вероятность "потери" пакета конкретного соединения прямо пропорциональна пропускной способности, используемой этим соединением, а не числу пакетов, т. е. большие пакеты уничтожаются чаще маленьких, что дает достаточно справедливое распределение полосы пропускания.

При работе с RED пользователю необходимо определиться со значениями трех параметров: минимум (min), максимум (max) и превышение (burst). Минимум - это минимальный размер очереди в байтах, выше которого начнется выборочная потеря пакетов. Максимум - это "мягкий" максимум, алгоритм будет пытаться удержать размер очереди ниже этого предела. Превышение - максимальное число пакетов, которые могут быть приняты в очередь сверх установленного максимального предела.

Минимальный размер очереди рассчитывается, исходя из максимально допустимого времени задержки в очереди и пропускной способности канала. Если установить минимальный предел слишком маленьким, это приведет к снижению пропускной способности, слишком большим - к увеличению времени задержки.

Максимальный размер очереди нужно задавать по меньшей мере в два раза больше минимального, чтобы снизить вероятность повторной синхронизации. На медленных линиях, с небольшим минимальным пределом размера очереди, максимальный предел следует задавать в четыре, а иногда и более раз больше минимального.

Предел превышения отвечает за поведение RED на пиковых нагрузках. Кроме того, необходимо будет определиться с предельным размером очереди (limit) и средним размером пакета (avpkt). Когда очередь достигает предельного размера, RED переходит к алгоритму "отсечения конца".

При малых размерах очередей метод RED более эффективен, чем другие методы. Он также более устойчив к трафику, имеющему "взрывной" характер.

7.9.2. Алгоритмы обработки очередей

Стратегия FlFO

Алгоритм обслуживания очередей Firstin-FirstOut (FIFO), также называемый First Come First Served, является самым простым. Пакеты обслуживаются в порядке поступления без какой-либо специальной обработки.

Такая схема приемлема, если исходящий канал имеет достаточно большую свободную полосу пропускания. Алгоритм FIFO относится к так называемым неравноправным схемам обслуживания очередей, так как при его использовании одни потоки могут доминировать над другими и захватывать несправедливо большую часть полосы пропускания. В связи с этим применяются равноправные схемы обслуживания, предусматривающие выделение каждому потоку отдельного буфера и равномерное разделение полосы пропускания между разными очередями.

Очередь с приоритетами

Очередь с приоритетами (Priority Queuing) - это алгоритм, при котором несколько очередей FIFO (могут использоваться алгоритмы Tail Drop, RED и т. д.) образуют одну систему очередей.

При приоритетной организации очередей (PQ) важный трафик получает самую быструю обработку в каждом пункте, в котором она используется. Этот метод назначает строгий приоритет важного трафика и может обеспечить гибкое задание уровня приоритета в соответствии с сетевыми протоколами. При приоритетной организации очереди каждый пакет помещается в одну из четырех очередей - с высоким, средним и низким приоритетом ожидания - на основе присвоенного приоритета. Назначение разным потокам нескольких разных приоритетов производится по ряду признаков, таких как источник и адресат пакета, транспортный протокол, номер порта. Пакеты, которые не подверглись классификации этим механизмом занесения в список приоритетов, по умолчанию направляются в нормальную очередь. Во время передачи этот алгоритм предоставляет очередям с более высоким уровнем приоритета преференциальный режим по сравнению с очередями с низким уровнем приоритета.

Class-Based Queuing (CBQ)

Классовые дисциплины широко используются в случаях, когда различные виды трафика необходимо обрабатывать по-разному. Примером классовой дисциплины может служить CBQ.

Когда трафик передается на обработку классовой дисциплине, он должен быть отнесен к одному из классов (классифицирован). Определение принадлежности пакета к тому или иному классу выполняется фильтрами.

Фильтры, присоединенные к дисциплине, возвращают результат классификации (класс пакета), после чего пакет передается в очередь, соответствующую заданному классу. Каждый из классов в свою очередь может состоять из подклассов и иметь свой набор фильтров для выполнения более точной классификации свой доли трафика. В противном случае пакет обслуживается дисциплиной очереди класса.

Кроме того, в большинстве случаев классовые дисциплины выполняют шейпинг (формирование) трафика, с целью переупорядочивания пакетов и управления скоростью их передачи. Это совершенно необходимо в случае перенаправления трафика с высокоскоростного интерфейса (например, Еthernet) на медленный (например, модем).

Это позволяет различным приложениям совместно использовать одну и ту же сеть, причем каждое из них предъявляет свои специфические минимальные требования к ширине полосы или к задержке.

Взвешенные очереди

Для резервирования полосы пропускания в сети IP может использоваться метод WFQ (Weighted Fair Queuing). Метод WFQ позволяет для каждого вида трафика выделять определенную часть полосы пропускания. Оператор через систему административного управления может задать количество очередей. В случае если одна очередь не использует полностью выделенную ей полосу пропускания, то свободный резерв полосы пропускания может задействоваться для передачи информации из следующей очереди.

Стратегия справедливых (взвешенных) очередей WFQ используется по умолчанию для интерфейсов низкого быстродействия. WFQ делит трафик на несколько потоков, используя в качестве параметров (для IP-протокола) IP-адреса и порты получателя и отправителя, а также поле IP-заголовка ToS (Type of Service). Значение ToS служит для квалификации части выделяемой полосы потока. Для каждого из потоков формируется своя очередь. Максимально возможное число очередей равно 256. Очереди обслуживаются в соответствии с карусельным принципом (round-robin). Более высокий приоритет имеют потоки с меньшей полосой, например, Telnet. По умолчанию каждая из очередей имеет емкость 64 пакета (но допускается значение и менее 4096 пакетов).

В сетях существует 8 уровней приоритета. Следует иметь в виду, что WFQ не поддерживается в случае туннелирования или шифрования. Поток с низким весом получает более высокий уровень обслуживания, чем поток с высоким уровнем. Когда задействованы биты ToS, WFQ реализует приоритетное обслуживание пакетов согласно значению этого кода. Весовой фактор обратно пропорционален уровню приоритета.

Справедливые очереди, базирующиеся на классах (CBWFQ)

Дальнейшим развитием технологии WFQ является формирование классов потоков, задаваемых пользователем. Алгоритм CBWFQ предоставляет механизм управления перегрузкой. Параметры, которые характеризуют класс, те же, что и в случае WFQ (только вместо ToS используется приоритет). В отличие от WFQ здесь можно в широких пределах перераспределять полосу пропускания между потоками. Для выделения класса могут привлекаться ACL (Access Control List) или даже номер входного интерфейса. Каждому классу ставится в соответствие очередь. В отличие от RSVP данный алгоритм гарантирует полосу лишь в условиях перегрузки. Всего может быть определено 64 класса. Нераспределенная полоса может использоваться потоками согласно их приоритетам.

Очереди с малой задержкой (LLQ)

В некоторых случаях, например, в случае VoIP, важнее обеспечить малую задержку, а не широкую полосу пропускания. Для таких задач разработан алгоритм LLQ (Low Latency Queuing), который является модификацией CBWFQ. В этом алгоритме пакеты всех приоритетов, кроме наивысшего, вынуждены ждать, пока очередь более высокого приоритета будет опустошена. Разброс задержки в высокоприоритетном потоке может быть связан только с ожиданием завершения передачи пакета низкого приоритета, начавшейся до прихода приоритетного кадра. Такой разброс определяется диапазоном длин кадров.