1. АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Уровень современных сетевых технологий открывает перед провайдерами и операторами связи огромные возможности для развития и перспективного роста, предлагая клиентам все новые услуги по доступным ценам. Однако технический прогресс приносит с собой не только новые возможности, но и новые проблемы. Одной из таких проблем является предоставление клиентам различных уровней обслуживания. Особенно актуально это становится для технологии передачи речи по протоколу IP (IP-телефония),когда клиенты требуют такое же качество связи, как и у ТСОП (телефонная сеть общего пользования).Поэтому операторам требуются новые средства для управления ресурсами сети и контроля за качеством предоставляемого сервиса.

VoIP трафик больше страдает от перегрузок, чем трафик передачи данных. В данное время Интернет не предоставляет никаких средств для того, чтобы гарантировать качество обслуживания. Очевидна необходимость каким-то образом гарантировать, что в периоды перегрузки трафик реального времени не будет страдать или, по крайней мере, получит более высокий приоритет, чем трафик не в реальном времени.

Все это доказывает чрезвычайно высокую актуальность предпринятой в данной работе попытки усовершенствования методов обеспечения показателей качества QoS.

2. СВЯЗЬ РАБОТЫ С НАУЧНЫМИ ПРОГРАММАМИ, ПЛАНАМИ, ТЕМАМИ

Квалификационная работа магистра выполнялась на протяжении 2010-2011 гг. в соответствии с научным направлением кафедры «Автоматики и телекоммуникаций» Донецкого национального технического университета.

3. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

В связи с тем, что за последние несколько лет на рынок вышел ряд новых VoIP провайдеров, увеличился интерес к услугам передачи голоса по IP сети. Это привело к тому, что появился ряд сложностей в обеспечении гарантированного обеспечения услуг.

Следовательно, цель работы заключается в исследовании и усовершенствовании методов обеспечения показателей качества VoIP распределенных сетей.

Для достижения поставленной цели необходимо решить основные задачи. В процессе выполнения магистерской работы планируется:

- провести анализ существующих методов обеспечения показателей качества (QoS);

-изучить алгоритмы управления очередями;

-усовершенствовать метод взвешенного справедливого обслуживания;

-смоделировать и исследовать процессы в сети;

Следствием проведенных исследований будут рекомендации по повышению качества услуг в сети для удовлетворения требований потребителей.

Объектом исследований является распределенная телекоммуникационная сеть АМСТОР.

Предметом исследований является показатель качества QoS .

4. ПРЕДПОЛАГАЕМАЯ НАУЧНАЯ НОВИЗНА ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

В ходе выполнения работы будут определены основные принципы обеспечения показателей качества VoIP сетей и усовершенствованы алгоритмы управления очередями.

5. ОБЗОР РАЗРАБОТОК И ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ТЕМЕ

5.1. Принципы IP-телефонии

IP-телефония - это технология, которая позволяет использовать Интернет или любую другую IP-сеть для проведения телефонных разговоров в режиме реального времени.

Для того, чтобы организовать телефонную связи по IP-сетям используют шлюзы IP-телефонии. Принцип работы телефонных шлюзов IP-телефонии состоит в следующем: с одной стороны шлюз подключается к телефонным линиям. С другой стороны шлюз подключен к IP-сети. Шлюз принимает телефонный сигнал, оцифровывает его (если он аналоговый), значительно сжимает, разбивает на пакеты и отправляет через IP-сеть по назначению с использованием протокола IP. Пакеты, приходящие из IP-сети подвергаются обратной обработке. Это позволяет осуществить полнодуплексную связь.

IP-телефония основывается на двух операциях: преобразование аналоговой речи в цифровую форму, и наоборот, внутри кодирующего/декодирующего устройства и упаковку в пакеты для передачи по IP-сети.

5.2. Оценка качества обслуживания

Для обслуживания трафика в IP-телефонии выделяются следующие основные характеристики, определяющие качество.

Первая - время задержки при передаче сигнала. Предусматриваются следующие градации численных величин задержек:

• 1-й уровень - до 200 мс - качество связи считается отличным. На этом же уровне в сети ТФОП задержки являются допустимыми до 150-200 мс.

• 2- й уровень - до 400 мс - качеством связи считается хорошим. При сравнении с качеством связи в сетях ТФОП, разница будет заметной. Но если же задержки постоянно находятся на уровне 400 мс, то эту связь не рекомендуется использовать для важных переговоров.

• 3-й уровень - до 700 мс – такое качество связи считается приемлемым для ведения неважных переговоров. Также такое качество связи возможно при передаче пакетов по спутниковой связи.

Качество IP-телефонии можно отнести к 2-3 уровням, причем ни один из провайдеров не может с точностью сказать, что он будет предоставлять IP-телефонию на 2-м уровне, так как задержки в сети Интернет очень непостоянны. С большей уверенностью можно сказать о провайдерах IP-телефонии, работающих по выделенным каналам. Качество связи в таких сетях соответствует 1-2 уровням. При этом необходимо учитывать задержки при кодировании/декодировании голосового сигнала. Таким образом, средние суммарные задержки при использовании IP-телефонии обычно находятся в пределах 150-250 мс. .

Также существуют другие факторы, от которых зависит качество связи, это качество микрофона и колонок абонентов, потери IP-пакетов при передаче через канал. Но даже при таких условиях IP-телефония имеет преимущество перед традиционными сетями: в случае перегрузки каналов IP и потери части пакетов, существует специальное программное или аппаратное обеспечение, которые могут исправить сигнал путем интерполяции соседних пакетов с учетом особенностей речевого спектра.

5.3. Основные методы обеспечения показателей качества обслуживания

Одним из способов улучшения качества обслуживания является уменьшение общей задержки. Это можно осуществить двумя путями:

- спроектировать структуру сети таким образом, чтобы задержка в ней была минимальной;

- уменьшить время обработки данных в шлюзе.

Первый путь реализуется путем сокращения числа транзитных участков между маршрутизаторами, а в местах с повышенной загруженностью использовать высокоскоростные каналы. Если же необходимо уменьшить разброс задержек, то необходимо использовать эффективные методы управления трафиком, например механизмы резервирования.

5.3.1. Best Effort

В IP-сетях информация передается по принципу «наилучшей попытки» (best effort) независимо от типа информации. В данной модели используются все доступные ресурсы сети без выделения отдельных классов трафика и регулирования. Считается, что лучшим механизмом обеспечения QoS является увеличение пропускной способности. Модель Best Effort Service даже при наличии больших резервов допускает возникновение перегрузок в случае резких всплесков трафика.

5.3.2. Integrated Service ( IntServ)

Интегрированный сервис (Integrated Service) делится на два вида гарантированного уровня обслуживания:

- с контролируемой загрузкой;

- с гарантированным обслуживанием[1].

Структура IntServ приведена на рис. 5.1.

Рисунок 5.1 - Взаимодействие элементов IntServ

Необходимые элементы, находящиеся в каждом узле, поддерживающем IntServ:

- классификатор – все поступающие пакеты он направляет в один из классов обслуживания исходя из информации, находящейся в пакета. Класс обслуживания реализуется в виде отдельной очереди. Пакеты, находящиеся в пределах одного класса обслуживания должны получать одинаковый QoS;

- диспетчер пакетов - извлекает из каждой очереди пакеты и направляет их на канальный уровень;

- блок управления доступом - 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 (RSVP) - информирует участников соединения (отправителя, получателя, промежуточные маршрутизаторы) о требуемых параметрах обслуживания.

Самый существенный недостаток IntServ связан с масштабируемостью RSVP, особенно в высокоскоростных магистральных сетях. RSVP проводит резервирование только для одного информационного потока.

5.3.3. Differentiated Service (DiffServ)

Модель предоставления дифференцированных услуг (Differentiated Service) обладает высокой масштабируемостью в пакетных сетях. По этой причине данной модели отведено место на магистральных и высокоскоростных участках сети. DiffServ обеспечивает параметры QoS не на базе протоколов, а на основании требований различных групп пользователей, дифференцируя трафик по установленному номеру класса. Такой механизм снижает объем служебной информации по сравнению с архитектурой IntServ [2].

Модель DiffServ поддерживает следующие виды обслуживания:

- гарантированное обслуживание;

- обслуживание с предпочтением;

- сервис с максимальными усилиями.

Недостатком данной модели является то, что, несмотря на высокий приоритет, данные все равно могут быть подвержены непредсказуемым задержкам при перегрузках в сети.

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

Эта модель описывает принципы организации взаимодействия IntServ и DiffServ для предоставления необходимого уровня обслуживания. Это достигается благодаря тому, что 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 - с помощью RSVP может решаться проблема с неопределенностью получаемого сервиса в DiffServ-сети.

Структура Int-DiffServ приведена на рис. 5.2.

Рисунок 5.2 - Структура модели Int-DiffSer

5.3.5. Протокол MPLS

В MPLS-сетях на базе меток удобно реализуется передача с гарантией качества сервиса сети (QoS). Внутри MPLS-домена передача различных потоков данных абсолютно безопасна благодаря их четкому логическому разделению. Для увеличения надежности в технологии MPLS реализованы функции Fast Reroute и LSP Protection, которые позволяют заранее создать дублирующие маршруты коммутации и в случае выхода из строя основного пути перейти на резервный маршрут без потери передаваемых данных. [3]

Внедрение и обслуживание сетей MPLS более унифицировано и упрощено по сравнению с обычными IP-сетями благодаря использованию протоколов LDP и RSVP. Первый из них предназначен для автоматического прокладывания новых путей в MPLS-домене. [4] Протокол RSVP позволяет управлять распределением пропускной способности между виртуальными каналами в сети, обеспечивая гарантированный требуемый уровень качества обслуживания.

5.4. Алгоритмы управления очередями

Как уже говорилось раньше, для уменьшения разброса задержек можно использовать эффективные методы управления очередями.

. Такой механизм как очередь используется в любом сетевом устройстве, где применяется коммутация пакетов, а именно: в маршрутизаторе, коммутаторе локальной или глобальной сети, конечном узле.

Необходимость в очереди возникает в периоды временных перегрузок, когда сетевое устройство не успевает обрабатывать поступающие пакеты.Причиной перегрузок может быть процессорный блок сетевого устройства,в таком случае необработанные пакеты временно помещаются во входную очередь, т. е. в очередь на входном интерфейсе. В случае, когда причина перегрузки заключается в ограниченной скорости выходного интерфейса (а она не может превышать скорость поддерживаемого протокола), то пакеты временно хранятся в выходной очереди.

Существуют несколько алгоритмов обработки очередей:

- традиционный алгоритм FIFO;

-приоритетное обслуживание (Priority Queuing), которое также называют «подавляющим»;

- взвешенные очереди (Weighted Queuing);

- взвешенное справедливое обслуживание (Weighted Fair Queuing, WFQ).

Каждый алгоритм разрабатывался для решения определённых задач и поэтому по-разному воздействует на качество обслуживания различных типов трафика в сети. Возможно комбинированное применение этих алгоритмов.

Принцип алгоритма FIFO заключается в следующем: в случае перегрузки пакеты помещаются в очередь, а если перегрузка устраняется или уменьшается, пакеты передаются на выход в том порядке, в котором поступили («первым пришел — первым ушел», First In — First Out). Этот алгоритм обработки очередей применяется по умолчанию во всех устройствах с коммутацией пакетов.

Механизм приоритетной обработки трафика заключается в разделении всего сетевого трафика на небольшое количество классов. При этом каждому классу назначается некоторый числовой признак — приоритет. Разделение на классы (классификация) может производиться разными способами.

Схема приоритетного управления очередями приведена на рис. 5.3.

Рисунок 5.3 - Приоритетное управление очередями

(Анимация: объем - 77 КБ; размер - 673х240; количество кадров - 14; задержка между кадрами -50 мс; задержка между последним и первым кадрами - 700 мс; количество циклов повторения - бесконечное)

Алгоритм взвешенных очередей (Weighted Queuing) разработан для того, чтобы для всех классов трафика можно было предоставить определенный минимум пропускной способности или удовлетворить требования к задержкам.

Взвешенное обслуживание приводит к большим задержкам и их вариациям, чем приоритетное обслуживание для самого приоритетного класса. Но для более низких приоритетных классов это соотношение может оказаться несправедливым, поэтому для создания более благоприятных условий обслуживания всех классов трафика взвешенное обслуживание часто бывает более подходящим.

Схема алгоритма взвешенных очередей приведена на рис. 5.4.

Рисунок 5.4 - Алгоритм взвешенных очередей

Взвешенное справедливое обслуживание (Weighted Fair Queing, WFQ) - это комбинация, сочетающий приоритетное обслуживание очередей с взвешенным. Существуют различные реализации WFQ, которые отличаются способом назначения весов и поддержкой различных режимов работы. Наиболее распространенная схема предусматривает существование одной особой очереди, которая обслуживается по приоритетной схеме, то есть первой и до тех пор, пока все заявки из нее не будут выбраны. Остальные очереди маршрутизатор просматривает последовательно, по алгоритму взвешенного обслуживания.

Схема алгоритма взвешенного справедливого обслуживания приведена на рис. 5.5.

Рисунок 5.5 - Схема алгоритма взвешенного справедливого обслуживания

6. ОПИСАНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ И ПЛАНИРУЕМЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

В ходе работы были проанализированы существующие методы обеспечения показателей качества и выбран наиболее подходящий для дальнейших исследований. Таким методом является построение сети на базе технологии MPLS.

В дальнейшем планируется, используя пакет моделирования OpNet, построить сеть на базе технологии MPLS, чтобы доказать на практике ее преимущество. Что касается алгоритмов обработки очередей, то на данном этапе ведутся разработки по усовершенствованию метода взвешенного справедливого обслуживания.

ВЫВОДЫ

Наиболее перспективными технологиями QoS являются MPLS и Int-DiffServ благодаря тому, что объединяют в себе лучшие стороны обеих моделей. Так, в MPLS за счет маршрутизации по меткам возможно более гибкое распределение ресурсов сети, что позволяет использовать несколько альтернативных путей доставки трафика для создания высокоскоростных магистралей, объединения локальных сетей. В свою очередь, Int-DiffServ представляет собой золотую середину соотношения цена/качество. Но и для этих технологий существуют ограничения, не позволяющие применять данные методы. MPLS все еще слабо распространена и является дорогостоящей технологией для корпоративных сетей, а Int-DiffServ требует определенных затрат на реализацию и не может обеспечить высоких показателей по совместимости.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

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.

ВВЕРХ