QoS в VoIP

Качество обслуживания
QoS (Quality of Servers) рассматривается как «суммарный эффект рабочих характеристик обслуживания, который определяет степень удовлетворенности пользователя этой службой» (E.800)
Задача: обеспечить заданное качество обслуживания в сквозном соединении (end-to-end) для различных видов трафика.
Условие: заданное качество обслуживания должны поддерживать все сетевые устройства на всем сквозном соединении

Факторы, влияющие на качество IP - телефонии

SLA – Service Level Agreement (соглашение о качестве предоставляемых услуг)
Основная цель SLA – оговорить зону доступных действий пользователя.
Предмет соглашения:
Характеристики качества обслуживания на транспортной сети (пропускная способность участка сети, допустимый объем пульсации трафика, средняя и максимальная величина задержки пользовательских пакетов, максимальный процент потерь, коэффициент готовности и т.д.).
Степень важности каждой характеристики.
Биллинговые данные.

Меры по обеспечению QoS
Увеличение полосы пропускания
Задание приоритетов данных
Организация очередей
Предотвращение перегрузок
Формирование трафика

Архитектура QoS
Средства QoS узла сети , выполняющие обработку поступающего в узел трафика в соответствии с требованиями качества обслуживания
Протоколы QoS- сигнализации для координации работы сетевых элементов по поддержке качества обслуживания «из-конца-в-конец»
Централизованные функции политики управления и учета QoS, позволяющие администраторам сети централизованно воздействовать на сетевые элементы для разделения ресурсов сети между различными видами трафика с требуемым уровнем QoS

Службы QoS
Best effort – обработка информации как можно быстрее, но без дополнительных усилий (FIFO, drop tail)
Мягкий QoS – сервис с предпочтениями. Приоритетное обслуживание, значения параметров QoS зависят от характеристик трафика.
Жесткий QoS – гарантированный сервис. Основан на предварительном резервировании ресурсов для каждого потока.

Назначение приоритетов
Способы :
Явные (соответствующее приложение запрашивает определенный уровень службы, а коммутатор или маршрутизатор пытается удовлетворить запрос)
Неявные (маршрутизатор или коммутатор автоматически присваивает передаваемым пакетам соответствующие уровни, исходя из заданных администратором критериев

Назначение приоритетов
Протокол IP precedence ( протокол старшинства) – второе название IP TOS (IP Type Of Service)
Резервирует ранее не используемое поле TOS в стандартном заголовке пакета IP, где могут быть указаны признаки QoS, определяющие время задержки, скорость передачи и уровень надежности передачи пакета

Назначение приоритетов
Три первых бита этого поля (0-2) позволяют устанавливать восемь уровней приоритета :
111 – управление сетью
110 – межсетевое управление
101 – CRITIC/ECP
100 – сверхсрочный
011 – срочный
001 – приоритетный
000 - обычный

Назначение приоритетов
Документ RFC 791
Биты 3,4,5 были выделены для указания трех классов обслуживания:
Бит 3 – задержка:
0-нормальная
1-низкая
Бит 4 - пропускная способность:
0-нормальная
1-высокая
Бит 5 – надежность:
0-обычная
1-высокая
Биты 6 и 7 зарезервированы для будущего использования

Назначение приоритетов
Документ RFC 1349
Биты 3,4,5,6 стали рассматриваться как единое целое и называться полем toss. Они служат для указания следующих классов обслуживания:
1000 – с низкой задержкой
0100 – с высокой пропускной способностью
0010 – с высокой надежностью
0001 – с низкой стоимостью
0000 – стандартный, нормальный

Отличие между уровнем приоритета и классом обслуживания:
Уровень приоритета предназначен для указания приоритета конкретной дейтаграммы и учитывается при обслуживании очередей
Класс обслуживания позволяет определять, какое соотношение между пропускной способностью , задержкой, надежностью и стоимостью оптимально для данного типа трафика, и соответствующим образом выбирать маршрут его передачи

Организация и обслуживание очередей
Очередь – область памяти маршрутизатора или коммутатора, в которых группируются пакеты с одинаковыми приоритетами передачи
Алгоритм обслуживания очереди определяет порядок, в котором происходит передача хранящихся в ней пакетов
Задача: обеспечить наилучшее обслуживание трафика с более высоким приоритетом при условии, что и пакету с низким приоритетом гарантируется соответствующее внимание

Алгоритмы организации очереди

Tail Drop

Алгоритм «leaky bucket»

Алгоритм «token bucket»

Механизмы обслуживания очередей
FIFO (First In First Out) – без использования дополнительных возможностей, используется в best effort
PQ (Priority Queuing) – приоритетные очереди, вводится приоритет трафика (1-8)
CQ (Custom Queuing) – настраиваемые очереди, используется при резервировании ресурсов
WFQ (Weighting Fair Queuing) –взвешенное справедливое обслуживание, позволяет динамически управлять ресурсами

Модификации WFQ
WFQ на основе вычисления номера пакета
WFQ на основе потока
CBWFQ – WFQ на основе класса
DWFQ – распределенный WFQ
DWFQ на основе QoS-группы
CBWFQ c приоритетной очередью (LLQ)
Заказное обслуживание очередей

Class-Based Queuing

Управление потоками
Прерывание передачи: при перегрузке передача пакетов источниками трафика прерывается на случайный интервал времени, затем возобновляется с той же интенсивностью.
Использование динамического окна: размер окна (количество пакетов, посылаемых источником за период) изменяется в зависимости от загрузки буфера.
Медленный старт: в случае перегрузки источники трафика прекращают передачу, затем посылают пакеты, постепенно увеличивая размер окна.

Модели обеспечения качества обслуживания
в сетях IP
Модель предоставления интегрированных услуг (IntServ)
RFC-2205, 1994-1997 г.
Модель предоставления дифференцированных услуг (DiffServ)
RFC 2475, 1998 г.
MPLS (Multi-Protocol Label Switching)

Интегрированные услуги
IntServ
Разработана IETF, 1994-1997 г.
RFC 2205, RFC 2210, RFC 2211, RFC 2212
Цель: предоставление приложениям возможности запрашивать сквозные требования у ресурсам.
Недостатки: проблемы масштабирования.
Основной механизм: протокол резервирования ресурсов RSVP, в узлах используется WFQ.

Модель IntServ
Позволяет обеспечить
Контролируемую загрузку сети
Гарантированное обслуживание

Протокол резервирования ресурсов - RSVP
∙ RSVP выполняет резервирование для уникастных и мультикастных приложений, динамически адаптируясь к изменениям членства группе вдоль маршрута.
∙ RSVP является симплексным протоколом, т.е., он выполняет резервирование для однонаправленного потока данных.
∙ RSVP не является маршрутным протоколом, но зависит от существующих и будущих маршрутных протоколов.
∙ RSVP обеспечивает прозрачность операций для маршрутизаторов, которые его не поддерживают.
∙ RSVP может работать с IPv4 и IPv6.

Протокол RSVP
Протокол сигнализации, который обеспечивает резервирование ресурсов для предоставления в IP-сетях услуг эмуляции выделенных каналов
В основе протокола 3 компонента:
Сеанс связи (идентифицируется адресом получателя данных)
Спецификация потока (определяет требуемое качество обслуживания и используется узлом сети, чтобы установить соответствующий режим работы диспетчера очередей)
Спецификация фильтра (тип трафика, для обслуживания которого запрашивается ресурс)

Сообщения RSVP
Порты
Sender Template
Tspec
Resv
Tspec
+ Rspec
Filterspec
= Flowspec
Дескриптор
потока
Path
Адреса

Процесс резервирования

Протокол RSVP
Работа протокола с точки зрения узла сети:
Получатель вступает в группу многоадресной рассылки, отправляя соответствующее сообщение протокола IGMP ближайшему маршрутизатору
Отправитель передает сообщение адресу группы
Получатель принимает сообщение Path, идентифицирующее отправителя
Теперь получатель имеет информацию об обратном пути и может отправлять сообщение Resv с дескрипторами потока
Сообщения Resv передаются по сети отправителю
Отправитель начинает передачу данных
Получатель начинает передачу данных

Протокол RSVP
Не размещается в крупномасштабных средах
Работает с пакетами IP и не затрагивает схем сжатия, CRC или работы с кадрами уровня звена данных (Frame Relay, PPP, HDLC)
Недостатки протокола:
Большой объем служебной информации
Большие затраты времени на организацию резервирования

Стили резервирования
Стиль WF (Wildcard-Filter)
Стиль WF использует опции «совместного» резервирования и произвольного выбора отправителя ("wildcard").
Стиль FF (Fixed-Filter)
Стиль FF использует опции «раздельного» резервирование и «явный» выбор отправителя.
Стиль SE (Shared Explicit)
Стиль SE использует опции: «совместного» резервирования и «явный» выбор отправителя.

Дифференцированные услуги DiffServ
Разработана IETF, 1998 г.
RFC 1349, RFC 2475, RFC 2597, RFC 2598
Цель: поддержка легко масштабируемых дифференцируемых в Internet
Недостатки: отсутствие гарантированного QoS
Основной механизм: маркировка трафика с использованием бита ToS (Type of Service). Поддерживает политики поведения сетевого узла: AF-phb и EF-phb (Per-Hop Behavior)

Политики поведения сетевого узла - phb
AF-phb (Assured Forwarding): политика гарантированной доставки – средство, позволяющее обеспечить несколько различных уровней надежности доставки IP-пакетов.
Механизмы: эффективное управление полосой пропускания за счет организации собственной очереди для каждого типа трафика; 3 уровня приоритетов пакетов; RED.
EF-phb (Expedited Forwarding): политика немедленной доставки – обеспечение сквозного QoS для приложений реального времени.
Механизмы: приоритезация трафика; WFQ; распределение ресурсов; RED.