Page History

...

Table of contents

Введение

Развитие сетей передачи данных влечёт за собой рост объёма передаваемого трафика, что требует использования политики качества обслуживания. Внедрение политики позволит классифицировать сетевой трафик и распределять сетевые ресурсы между классами трафика.

...

Introduction

The data networks evolution entails an increase in the volume of transmitted traffic, which requires the quality of service policy usage. The policy implementation will allow classifying network traffic and distributing network resources between traffic classes.

Terminology

• QoS (Quality of Service - качество обслуживания) - технология, позволяющая выполнить классификацию потока данных и приоритизировать передачу каждого потока в соответствии с его классом.
  
• Политика QoS - документ, описывающий принципы классификации потоков трафика и требования к ресурсам для каждого из классов.
• Поток трафика - данные одного сервиса, передающиеся между двумя узлами.
• Сервис - служба, запущенная на конечных узлах, выполняющие обмен данными между узлами. Данные, относящиеся к одному сервису, отличаются уникальным набором значений служебных полей и структурой сетевых пакетов. Примерами сервисов являются IP-телефония, web и видеонаблюдение.
• Зона ответственности - сегмент сети, за эффективное функционирование которого отвечает определённый субъект. В качестве субъекта может выступать как конкретный человек, так и организация.
• DS-домен (Differentiated Services домен - домен диффиренцированных сервисов) - логическая область, в которой применяются единые правила классификации трафика, определяемые политикой QoS. Обычно DS-домен совпадает с зоной ответственности.
• CIR (Committed Information Rate) - гарантированная пропускная способность. Система гарантирует выделение ресурсов для соблюдения CIR для сервиса.
  
• MIR (Maximum Information Rate) - максимальная пропускная способность. В случае выполнения CIR, сервисам могут быть предоставлены дополнительные ресурсы. Дополнительные ресурсы не могут превысить порог MIR и их выделение не гарантировано) - technology that allows to classify a data stream and prioritize the each stream transmission in accordance with its class.
  
• QoS policy - document describing the principles of traffic streams classification and resource requirements for each class.
• Traffic stream - data of one service transmitted between two nodes.
• Service - process running on end nodes which data need to be transmitted between nodes. Data of one service is distinguished by a unique set of service field values and the network packets structure. IP telephony, web, and video surveillance are the examples of services.
• Responsibility area - a network segment which effective operation is in responsibility of a certain subject. A subject can be either a specific person or an organization.
• DS domain (Differentiated Services domain) - a logical area having uniform traffic classification rules defined by QoS policy. Usually the DS domain coincides with responsibility area.
• CIR - Committed Information Rate. The system guarantees the resources allocation in compliance with the CIR for the service.
  
• MIR - Maximum Information Rate. In case CIR is ensured, the additional resources may be allocated to the services. Additional resources cannot exceed the MIR threshold and their allocation is not guaranteed.

Anchor
packet_life packet_life

...

Package distribution scheme

В пакетных сетях передачи данных трафик распространяется от узла-отправителя к узлу-получателю через каналы связи и промежуточные устройства. В общем случае пакет данных обрабатывается каждым из промежуточных устройств независимо. Рассмотрим пример обработки пакета данных промежуточным сетевым устройством (рис. 1):

...

При настроенном QoS можно классифицировать каждый из входящих потоков трафика, например, по его типу и сопоставить каждому классу отдельную очередь (рис. 2б). Каждой из очередей пакетов может быть назначен свой приоритет, который будет учитываться при извлечении пакетов из очередей сообщений, что позволит гарантировать показатели качества. Классификация потоков трафика может быть выполнена не на основании используемых сервисов, а по другим критериям. Например, каждой паре пользователей может быть выделена отдельная очередь сообщений (рис. 2в).

...

Следует иметь в виду, что на пути данных от источника до получателя может быть расположено несколько промежуточных сетевых устройств, очереди сообщений на которых независимы друг от друга, т.е. эффективное внедрение политики QoS потребует конфигурации всех сетевых узлов.

Anchor
quality_metrics quality_metrics

Метрики качества

Основные выводы предыдущего раздела, которые будут использоваться нами для определения метрик качества:

...

Подробно рассмотрим метрики на примере: Узел-2 передаёт три пакета данных Узлу-5, источник и получателя данных соединяет промежуточное Сетевое устройство, пакеты передаются в рамках одного сервиса, т.е. их ключевые служебные поля совпадают.

Потери

При передаче потока данных, часть из них могут быть не приняты, либо приняты с ошибками. В этом случае можно говорить о потери данных, которые измеряются как отношение количества принятых пакетов к количеству переданных. В примере (рис. 3) Узел-2 передаёт пакеты с идентификаторами 1,2 и 3, однако Узел-5 принимает только пакеты 1 и 3, т.е. пакет с идентификатором 2 потерян. Существуют сетевые механизмы, позволяющие выполнить повторную передачу потерянных данных. Например, к таким механизмам можно отнести протоколы TCP и ARQ.

...

Величина потерь влияет на две метрики, которые не относят к основным: пропускная способность и пакетная производительность.

Пропускная способность

Одной из основных метрик, используемых на практике, является пропускная способность, величина которой зависит от потерь. Пропускная способность определяется физическими возможностями канала связи и возможностью обработки потока данных промежуточными сетевыми устройствами. Пропускная способность канала связи определяется как максимальный объём данных, который может быть предан от источника к получателю в единицу времени.

Пакетная производительность

Параметром, влияющим на пропускную способность и состояние очередей сообщений является пакетная производительность устройства. Под пакетной производительностью понимается максимальное число пакетов данных заданной длины, которое устройство способно передать в единицу времени.

...

Задержка

Под задержкой понимается время передачи пакета данных от источника до получателя. Величина задержки складывается из следующих компонентов:

...

Джиттер

Загрузка ЦП и состояние очередей сообщений на промежуточных сетевых устройствах постоянно меняются, поэтому задержка при распространении пакетов данных может изменяться. В примере (рис. 6) время распространения пакетов с идентификаторами 1 и 2 отличаются. Разница между максимальным и средним значениями задержки называется джиттером.

...

Anchor
service_class service_class

Требования сервисов к метрикам качества

Каждый из сервисов передачи данных имеет набор требований к показателям качества. Документ RFC 4594 предусматривает следующие виды сервисов:

...

Методы обеспечения QoS

Передача трафика различных сервисов реализована на единой сетевой инфраструктуре, которая имеет ограниченные ресурсы, поэтому должны быть предусмотрены механизмы по распределению ресурсов между сервисами.

...

Рассмотрим пример, представленный выше, добавив в схему распространения данных второе промежуточное сетевое устройство (рис. 9а). Схема распространения пакетов описывается следующими этапами:

• Этап 1:
  • Узел-1 и Узел-2 формируют пакеты двух сервисов: телефонии и почты. Трафик телефонии, в отличие от данных почтового сервиса, чувствителен к задержке и джиттеру (см. Требования сервисов к метрикам качества), поэтому должен быть обработан промежуточными устройствами в первую очередь.
  • Сетевое устройство-1 принимает пакеты Узла-1 и Узла-2.
• Этап 2:
  • На Сетевом устройстве-1 настроена приоритизация трафика, которая заключается в том, что устройство классифицирует входящий трафик и помещает пакеты данных в различные очереди сообщений. Весь трафик телефонии будет помещён в очередь 0,а трафик почтового сервиса - в очередь 16. Таким образом, приоритет очереди 0 выше, чем очереди 16.
  • Освобождение очередей сообщений и передача данных исходящим интерфейсам осуществляются в соответствии с приоритетами очередей, т.е. сначала будет опустошена очередь 0, а затем - очередь 16.
• Этап 3:
  • Сетевое устройство-1 отправляет данные в Среду-7, связанную с Сетевым устройством-2. Последовательность пакетов данных соответствует метрикам качества - в первую очередь в среду переданы данные телефонии, а затем - почтового сервиса.
  • Узел-3 подключен к Сетевому устройству-2 и формирует поток данных почтового сервиса.
• Этап 4:
  • На Сетевом устройстве-2 отсутствуют настройки приоритизации, поэтому весь входящий трафик будет помещён в очередь сообщений 16. Отправка данных из очередей будет соответствовать последовательности их приёма, т.е. трафик телефонии будет обработан наравне в трафиком почтового сервиса, несмотря на требования к значениям метрик качества.
  • Сетевое устройство-2 вносит задержку во время распространения трафика телефонии.
• Этап 5:
  • Данные отправляются конечным узлам. Время распространения пакетов телефонии было увеличено за счёт обработки трафика почтового сервиса Узла-3.

...

Механизмы приоритизации трафика

С точки зрения возможности управления путь распространения трафика в сети может быть описан двумя концепциями (рис. 10а,б):

...

Для установки приоритета обслуживания пакета могут использоваться служебные поля различных сетевых протоколов. В рамках данной статьи подробно рассмотрим использование заголовков протоколов Ethernet и IPv4.

Приоритизация в Ethernet (802.1p)

Заголовок кадров Ethernet включает в себя служебное поле "User Priority", которое предназначено для приоритизации кадров данных. Поле имеет размер 3 бита, что позволяет выделить 8 классов трафика: 0 класс - наименьший приоритет, 7 класс - наибольший приоритет. Следует иметь в виду, что поле "User Priority" присутствует только в кадрах 802.1q, т.е. тэгированных одной из меток VLAN.

Приоритизация в IP

Протокол IP включает в себя три исторических стадии развития служебного поля, отвечающего за приоритизацию пакетов:

...

Установка приоритета

Множество конечных узлов в сети не поддерживают операции по установке и удалению приоритетов в служебных заголовках, поэтому эта функциональность должна быть реализована в промежуточных сетевых устройствах

...

Реализация очередей в устройствах Инфинет

Процесс анализа устройством приоритета в служебных заголовках и обработка данных в соответствии с этими приоритетами не является простым по следующим причинам:

...

Следует отметить архитектурную особенность организации очередей в устройствах Инфинет: все очереди делят между собой единый буфер памяти. В случае, если весь трафик попадает в одну очередь, то её размер будет соответствовать размеру буфера, а если очередей будет несколько, то размер буфера памяти будет равномерно поделен между ними.

Диспетчеризация очередей

Приоритизация сообщений подразумевает под собой использование нескольких очередей сообщений, содержимое которых должны быть передано исходящим интерфейсам через единую шину сообщений. Устройства Инфинет поддерживают два механизма передачи сообщений из очередей в шину: строгая и взвешенная диспетчеризация.

Anchor
strict_prio strict_prio

Строгая диспетчеризация

Механизм строгой приоритизации подразумевает последовательное опустошение очередей в соответствии со значениями приоритета. Отправка сообщений с приоритетом 2 будет выполнена только после того, как в шину будут переданы все сообщения с приоритетом 1 (рис. 14). После того, как будут отправлены сообщения с приоритетами 1 и 2, устройство начнёт отправку сообщений с приоритетом 3.

...

Anchor
weighted_prio weighted_prio

Взвешенная диспетчеризация

Взвешенная диспетчеризация лишена недостатков строгой диспетчеризации. Взвешенная диспетчеризация подразумевает распределение ресурсов между всеми очередями сообщений в соответствии с весовыми коэффициентами, которые соответствуют значениям приоритета. В случае трёх очередей сообщений (рис. 15), весовые коэффициенты могут быть распределены следующим образом:

...

Рекомендации по приоритизации трафика

Можно сформулировать набор универсальных рекомендаций по конфигурации механизмов приоритизации трафика:

• Необходимо скрупулезно отнестись к разработке политики QoS. Политика должна описывать трафик всех сервисов, используемых в сети, предусматривать строгое соответствие сервиса и класса трафика.
• Политика QoS должна учитывать технические возможности устройств по распознаванию и манипуляции со значениями служебных полей, в которых указывается приоритет данных.
• На пограничных устройствах DS-домена должны быть настроены правила классификации потоков трафика.
• На промежуточных устройствах DS-домена должна быть активирована функция автоматического распознавания приоритетов трафика.

Механизмы ограничения пропускной способности

Распределение ресурсов сети между потоками трафика может быть выполнено не только за счёт приоритизации, но и с помощью механизма ограничения пропускной способности. В этом случае, скорость передачи данных потока не может превысить пороговый уровень, установленный администратором сети.

Принцип ограничения скорости в устройствах Инфинет

Принцип ограничения скорости заключается в постоянном измерении интенсивности потока данных и, в случае, если значение интенсивности превышает установленный порог, срабатывает ограничение (рис. 16а,б). Для ограничения пропускной способности в устройствах Инфинет используется алгоритм Token Bucket, заключающийся в том, что все пакеты данных сверх порога пропускной способности отбрасываются. В результате образуются потери, описанные выше.

Алгоритм Token Bucket

Для каждого правила ограничения скорости формируется логический буфер, содержащий объём разрешённых для передачи данных. Как правило, размер этого буфера больше, чем размер ограничений. Каждую единицу времени такому буферу выделяется размер данных, равный установленному порогу ограничения скорости.

...

Существуют способы связи буферов ресурсов друг с другом. Например, в устройствах Инфинет буферы выделенных ресурсов могут быть связаны через классы (см. ниже). В случае, если один из буферов ресурсов будет заполнен (видеоролик 6), выделенные ему ресурсы могут быть предоставлены другому буферу.

...

Anchor
shaping_infinet shaping_infinet

Виды ограничений скорости в устройствах Инфинет

Рассмотренный принцип ограничения пропускной способности реализован в устройствах Инфинет двумя способами:

...

Функциональные возможности по конфигурации ограничения пропускной способности на устройствах Инфинет всех семейств представлены в таблице ниже:

Рекомендации по конфигурации ограничения пропускной способности

При конфигурации ограничения пропускной способности потоков данных следует руководствоваться следующими рекомендациями:

• Следует выполнять ограничение для трафика всех сетевых сервисов. Эти действия позволят сохранить контроль над всеми потоками трафика и осознанно выделять ресурсы для этих потоков.
  
• Ограничение пропускной способности должно выполняться на устройствах, расположенных ближе всего к источнику данных. Нет необходимости дублировать правила ограничения пропускной способности для потока данных на протяжении всей цепочки промежуточных устройств.
• Многие сетевые сервисы являются двунаправленными, что требует применения ограничений на устройствах как к входящему, так и исходящему трафику.
• Для корректной установки пороговых значений пропускной способности следует предварительно оценить средние и максимальные значения трафика сервисов. Особое внимание следует обратить на часы наибольшей нагрузки. Выполнить сбор данных для проведения анализа можно с использованием системы мониторинга InfiMONITOR.
• Сумма значений CIR логических каналов, ассоциированных с одним классом, не должна быть более максимальной пропускной способности класса.

Дополнительные материалы

White papers

1. TDMA и Polling: особенности применения в беспроводных сетях
2. Производительность устройств Инфинет

Вебинары

1. Настройка политик QoS в устройствах Инфинет.

Видео

1. Настройка политик QoS в устройствах Инфинет.

Прочее

1. RFC 4594.
2. RFC 791.
3. RFC 1349.
4. RFC 2474.
5. Система мониторинга InfiMONITOR.
6. Веб-интерфейс устройств семейств InfiLINK 2x2, InfiMAN 2x2. Параметры QoS.
7. Веб-интерфейс устройств семейств InfiLINK 2x2, InfiMAN 2x2. Контроль трафика.
8. Веб-интерфейс устройств семейств InfiLINK XG, InfiLINK XG 1000. Настройка QoS.
9. Веб-интерфейс устройств семейства Vector 5. Настройка коммутации.
10. Веб-интерфейс устройств семейства Vector 70. Настройка коммутации.
11. Настройка QoS manager в ОС WANFleX.